Патент на изобретение №2349764

(54) ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛЬ, НАДСТРОЕННАЯ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКОЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области энергетики и может быть применено при модернизации существующих теплоэлектроцентралей. Теплоэлектроцентраль надстроена газотурбинной установкой. В воздуховоде, после воздушного компрессора, размещен воздухоохладитель-парогенератор, включающий экономайзерную, испарительную и пароперегревательную поверхности. На входе по воде первая ступень экономайзерной поверхности соединена с деаэратором, а на выходе – со входом газоводяного подогревателя питательной воды. Выход газоводяного подогревателя питательной воды соединен трубопроводом с испарительной поверхностью воздухоохладителя-парогенератора, выход которого соединен через дополнительный пароперегреватель с паропроводом высокого давления блока теплоэлектроцентрали. В газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления последовательно размещены камера сгорания низкого давления и высоконапорный пароперегреватель второй ступени. В газоходе низкого давления после газоводяного подогревателя питательной воды установлен газоводяной подогреватель сетевой воды теплосети. Изобретение позволяет увеличить полезную мощность и тепловую экономичность теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой. 3 ил.

Изобретение относится к области энергетики и может быть применено при модернизации существующих теплоэлектроцентралей.

Актуальна задача модернизации существующих теплоэлектроцентралей с повышением их тепловой экономичности. Наиболее эффективна их модернизация путем надстройки газотурбинными установками с паровыми котлами-утилизаторами. При этом пар от котлов-утилизаторов подают по паропроводам перегретого пара в главный паропровод теплоэлектроцентрали.

Но при использовании большинства ГТУ, из-за пониженных температур газа на их выхлопе в котлах-утилизаторах не обеспечивается генерация стандартных для теплоэлектроцентралей параметров пара, поэтому при этом перед котлами-утилизаторами ГТУ устанавливают камеры дожигания топлива (С.Цанев, В.Буров, В.Торжков. Эффективность использования дожигания топлива в схемах ПГУ-КЭС с одноконтурными котлами – утилизаторами. «Газотурбинные технологии», январь-февраль 2003 г., с.2-6).

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является парогазовая установка, выполненная по комбинированной схеме (Э.А.Манушин, В.Е.Михальцев, А.П.Чернобровкин «Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок». М.: «Машиностроение», 1977, рис.50, стр.127).

Парогазовая установка содержит блок газотурбинной установки, снабженный воздушным компрессором, газовыми турбинами высокого и низкого давления, рекуператором, камерами сгорания высокого и низкого давления, газоводяным подогревателем. Воздушный компрессор и газовая турбина высокого давления соединены общим валом, газовая турбина низкого давления (свободная турбина) связана с электрогенератором. Камера сгорания высокого давления установлена в воздуховоде перед газовой турбиной высокого давления, камера сгорания низкого давления размещена в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления. Рекуператор установлен по газовой стороне в газоходе между выхлопным патрубком газовой турбины низкого давления и газоводяным подогревателем, а по воздушной стороне – в воздуховод между воздушным компрессором и высоконапорным парогенератором паротурбинного блока. Последний содержит высоконапорный парогенератор, паровую турбину, связанную с электрогенератором, и конденсатор. Конденсатор связан трубопроводом питательной воды через питательный насос и газоводяной подогреватель с высоконапорным парогенератором. Последний соединен по острому пару с паровой турбиной. По сжатому воздуху высоконапорный парогенератор включен в воздухопровод между рекуператором и камерой сгорания высокого давления блока газотурбинной установки. Использование в установке-прототипе высоконапорного парогенератора позволяет уменьшить металлоемкость парогазовой установки.

Размещение рекуператора в воздуховоде между воздушным компрессором и высоконапорным парогенератором способствует повышению тепловой экономичности парогазовой установки. Установка камеры сгорания низкого давления в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления способствует увеличению мощности установки и обеспечивает поддержание ее высокой тепловой экономичности при переменных нагрузках.

Но из-за высоких степеней сжатия и температуре воздуха после воздушного компрессора в газотурбинных установках с промежуточным подводом тепла примененный в прототипе рекуперативный воздухоподогреватель оказывается малоэффективным и не обеспечивает существенного повышения тепловой экономичности парогазовой установки. Кроме того, размещение высоконапорного парогенератора в воздуховоде после рекуперативного воздухоподогревателя не позволяет генерировать в высоконапорном парогенераторе пар со стандартными параметрами для существующих паротурбинных установок, что не позволяет применить парогазовую установку -прототип для модернизации теплоэлектроцентралей.

Задачей предлагаемого технического решения является модернизация существующих теплоэлектроцентралей по парогазовому циклу с их надстройкой газотурбинной установкой, позволяющая повысить тепловую экономичность и электрическую мощность теплоэлектроцентрали, снизить металлоемкость парогазовой установки.

Поставленная задача решена за счет того, что теплоэлектроцентраль, надстроенная газотурбинной установкой, содержащая: газотурбинный блок, включающий воздушный компрессор, газовые турбины высокого и низкого давления, рекуператор, камеры сгорания высокого и низкого давления, газоводяной подогреватель, высоконапорный парогенератор; воздушный компрессор и газовая турбина высокого давления соединены общим валом, газовая турбина низкого давления связана валом с электрогенератором, камера сгорания высокого давления установлена в воздуховоде перед газовой турбиной высокого давления, камера сгорания низкого давления размещена в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления, рекуператор установлен по газовой стороне в газоходе между выхлопным патрубком газовой турбины низкого давления и газоводяным подогревателем питательной воды, а по воздушной стороне – в воздуховоде между воздушным компрессором и камерой сгорания высокого давления; блок теплоэлектроцентрали, включающий паровой котел, паропровод высокого давления, теплофикационную паровую турбину, соединенную общим валом с электрогенератором, деаэратор высокого давления, теплофикационную систему с трубопроводами обратной и прямой сетевой воды, поверхности нагрева высоконапорного парогенератора связаны на входе трубопроводами питательной воды с деаэратором блока теплоэлектроцентрали, а на выходе с паропроводом высокого давления этого блока, при этом, в воздуховоде, между воздушным компрессором и рекуператором, дополнительно размещен высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор, включающий первую ступень экономайзерной, вторую часть испарительной и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева, на входе по воде первая ступень экономайзерной поверхности нагрева высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора соединена через трубопровод питательной воды с деаэратором блока теплоэлектроцентрали, а на выходе с входным патрубком газоводяного подогревателя питательной воды, включающим вторую экономайзерную ступень питательной воды и первую часть испарительной поверхности нагрева; выходной патрубок газоводяного подогревателя питательной воды соединен трубопроводом со второй частью испарительной поверхности высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора, выходной патрубок которого соединен паропроводом через дополнительный высоконапорный пароперегреватель второй ступени с паропроводом высокого давления блока теплоэлектроцентрали; по ходу продуктов сгорания в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления последовательно размещены камера сгорания низкого давления и высоконапорный пароперегреватель второй ступени; по ходу продуктов сгорания в газоходе низкого давления после газоводяного подогревателя питательной воды установлен газоводяной подогреватель сетевой воды теплосети, подключенный к трубопроводам обратной и прямой сетевой воды блока теплоэлектроцентрали.

Применение дополнительного высоконапорного воздухоохладителя – парогенератора, включающего первую экономайзерную, вторую часть испарительной и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева и его размещение в воздуховоде между воздушным компрессором и рекуператором, а также применение дополнительного высоконапорного пароперегревателя второй ступени, установленного в газоходе между газовыми турбинами высокого и низкого давления, и размещение перед ним камеры сгорания низкого давления, позволяет существенно уменьшить металлоемкость газотурбинного блока установки.

Установка высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора в воздуховоде между воздушным компрессором и рекуператором позволяет понизить температуру воздуха на входе в рекуператор и увеличить степень регенерации, за счет чего повышается температура воздуха, уменьшается расход топлива в камеру сгорания высокого давления и повышается тепловая экономичность теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой.

Последовательный подогрев питательной воды, поступающей в газотурбинный блок из деаэратора теплоэлектроцентрали, вначале в первой экономайзерной части высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора, а затем во второй экономайзерной части в газоводяном подогревателе питательной воды позволяет понизить температуру воздуха перед рекуператором, увеличить степень регенерации и повысить тепловую экономичность теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой.

Размещение камеры сгорания низкого давления в газопроводе между газовой турбиной высокого давления и высоконапорным пароперегревателем второй ступени позволяет увеличить температурный напор и снизить его металлоемкость, а также позволяет регулировать температуру пара, подаваемого в паропровод высокого давления теплоэлектроцентрали, и поддерживать высокую тепловую экономичность теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой при ее переменных нагрузках.

Совокупность признаков нова и позволяет за счет этой совокупности достичь технического результата, заключающегося в увеличении полезной мощности и повышении тепловой экономичности теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой.

Теплоэлектроцентраль, надстроенная газотурбинной установкой, представлена на чертежах, где на фиг.1 показана принципиальная схема теплоэлектроцентрали, надстроенной газотурбинной установкой, на фиг.2 приведена ее блок-схема, а на фиг.3 – TS-диаграмма рабочего процесса ее газотурбинного блока.

На фиг.1, фиг.2 изображены газотурбинный блок 1, блок теплоэлектроцентрали 2, воздушный компрессор 3, высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор 4, вторую испарительную часть и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева 5, первую экономайзерную ступень подогрева питательной воды 6, рекуператор 7, камеру сгорания высокого давления 8, газопровод 9, газовую турбину высокого давления 10, паропровод 11, высоконапорный пароперегреватель второй ступени 12, камеру сгорания низкого давления 13, газовую турбину низкого давления 14, электрогенератор 15, паропровод высокого давления 16, теплофикационную паровую турбину 17, электрогенератор 18, конденсатор 19, деаэратор 20, питательный насос 21, паровой котел 22, трубопровод питательной воды 23, трубопровод обратной сетевой воды 24, трубопровод прямой сетевой воды 25, газоводяной подогреватель сетевой воды 26, газоход 27, трубопровод подогретой питательной воды 28, газоводяной подогреватель 29, паропровод 30.

Газотурбинный блок 1 включает: воздушный компрессор 3, высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор 4, включающий первую экономайзерную ступень подогрева питательной воды 6, вторую испарительную часть и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева 5, рекуператор 7, камеру сгорания высокого давления 8, газопровод 9, газовую турбину высокого давления 10, паропровод 11, высоконапорный пароперегреватель второй ступени 12, камеру сгорания низкого давления 13, газовую турбину низкого давления 14, электрогенератор 15, трубопровод питательной воды 23, трубопровод обратной сетевой воды 24, трубопровод прямой сетевой воды 25, газоводяной подогреватель сетевой воды 26, газоход 27, трубопровод подогретой питательной воды 28, газоводяной подогреватель 29, паропровод 30.

Блок теплоэлектроцентрали 2 включает: паропровод высокого давления 16, теплофикационную паровую турбину 17, электрогенератор 18, конденсатор 19, деаэратор 20, питательный насос 21, паровой котел 22.

Теплоэлектроцентраль, надстроенная газотурбинной установкой, работает следующим образом. Атмосферный воздух, сжатый в воздушном компрессоре 3 газотурбинного блока 1, поступает в высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор 4, в котором по ходу воздуха размещены первая ступень пароперегревательной, вторая часть испарительной 5 поверхностей нагрева и первая экономайзерная ступень 6 подогрева питательной воды.

Охлажденный в высоконапорном воздухоохладителе-парогенераторе 4 сжатый воздух затем подогревается в обогреваемой стороне рекуператора 7 отработавшими газами газовой турбины низкого давления 14 и дополнительно нагревается в камере сгорания высокого давления 8 за счет сжигания топлива. Затем полученные продукты сгорания, выйдя из газопровода 9, расширяются в газовой турбине высокого давления 10, приводящей воздушный компрессор 3, нагреваются в камере сгорания низкого давления 13, частично охлаждаются в высоконапорном пароперегревателе второй ступени 12. После этого отработавшие газы расширяются в газовой турбине низкого давления 14, приводящей электрогенератор 18, и подаются в нагревающую сторону рекуператора 7.

После рекуператора 7 отработавшие газы по газоходу 27 последовательно проходят через нагревающие стороны газоводяного подогревателя 29, газоводяного подогревателя сетевой воды 26 и сбрасываются в атмосферу.

Питательная вода из деаэратора 20 блока теплоэлектроцентрали 2 питательным насосом 21 по трубопроводу питательной воды 23 подается в первую экономайзерную ступень 6 подогрева питательной воды высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4 газотурбинного блока 1. Затем по трубопроводу подогретой питательной воды 28 она подводится ко второй экономайзерной ступени подогрева питательной воды газоводяного подогревателя 29 и далее поступает в первую часть испарительной поверхности нагрева этого подогревателя и затем по трубопроводу 30 подводится ко входному патрубку второй испарительной части и первой пароперегревательной ступени 5 высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4. Из выходного патрубка первой ступени пароперегревателя 5 частично перегретый водяной пар по паропроводу 11 поступает в обогреваемую сторону высоконапорного пароперегревателя второй ступени 12 и далее подается в паропровод высокого давления 16 блока теплоэлектроцентрали 2. После расширения в теплофикационной паровой турбине 17, приводящей электрогенератор 18, этот пар конденсируется в конденсаторе 19. Конденсат пара подогревается в регенеративных подогревателях и деаэрируется в деаэраторе 20. Основная часть питательной воды из деаэратора 20 питательным насосом 21 подается в котельный агрегат 22 блока теплоэлектроцентрали 2, перегретый пар из которого направляется в паропровод высокого давления 16. Меньшая часть питательной воды подается питательным насосом 21 по трубопроводу питательной воды 23 в первую экономайзерную ступень подогрева питательной воды 6 высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4 газотурбинного блока 1.

В TS-диаграмме на фиг.3 изображены тепловые процессы в газовом и пароводяном контурах газотурбинного блока 1. Цифрами на этой диаграмме обозначены характерные точки его рабочего процесса:

– точки 1-2, сжатие воздуха в воздушном компрессоре 3 (фиг.2);

– точки 2-3, охлаждение воздуха в охлаждаемой стороне высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4 (фиг.2).

В его обогреваемой стороне:

– подогрев питательной воды в экономайзерной части (ЭК1) первой ступени подогрева питательной воды 6;

– завершение испарения питательной воды (ИСП2) и перегрев пара в первой ступени (ПП1) пароперегревательной поверхностей нагрева;

– точки 3-12, подогрев воздуха в рекуператоре 7 (фиг.2);

– точки 12-4, подвод тепла топлива в камере сгорания высокого давления 8 (фиг.2);

– точки 4-5, расширение продуктов сгорания в газовой турбине высокого давления 10 (фиг.2);

– точки 5-6 подвод тепла топлива в камере сгорания высокого давления 13 (фиг.2);

– точки 6-7, охлаждение продуктов сгорания в высоконапорном пароперегревателе второй ступени 12 (фиг.2), с перегревом пара в его нагреваемой стороне (ПП2);

– точки 7-8, расширение продуктов сгорания в газовой турбине низкого давления 14 (фиг.2);

– точки 8-9, охлаждение продуктов сгорания в рекуператоре 7 (фиг.2) с подогревом в его обогреваемой стороне сжатого воздуха 3-12;

– точки 9-10, охлаждение продуктов сгорания в газоводяном подогревателе 29 (фиг.2), в его обогреваемой стороне производится подогрев питательной воды (вторая ступень подогрева – ЭК2) и ее частичное испарение в испарительной поверхности нагрева (ИСП1);

– точки 10-11, охлаждение продуктов сгорания в газоводяном подогревателе сетевой воды 26 (фиг.2).

Теплоэлектроцентраль, надстроенная газотурбинной установкой, выполнена следующим образом. Между воздушным компрессором 3 и рекуператором 7 дополнительно установлен высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор 4. Выходной воздушный патрубок рекуператора 7 соединен через газопровод 9 и камеру сгорания высокого давления 8 с газовой турбиной высокого давления 10, выходной патрубок которой через камеру сгорания низкого давления 13 и дополнительный высоконапорный пароперегреватель второй ступени 12 связан с входом газовой турбины низкого давления 14.

Газовая турбина высокого давления 10 соединена общим валом с воздушным компрессором 3, а газовая турбина низкого давления 14 соединена валом с электрогенератором 15. По ходу продуктов сгорания в газоходе 27 размещены газоводяной подогреватель питательной воды 29 и газоводяной подогреватель сетевой воды теплосети 26. Высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор 4 включает экономайзерную часть первой ступени подогрева питательной воды 6, вторую часть испарительной поверхности и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева 5. В газоводяном подогревателе питательной воды 29 установлена экономайзерная часть второй ступени подогрева питательной воды и первая часть испарительной поверхности нагрева.

Деаэратор 20 блока теплоэлектроцентрали 2, через питательный насос 21 связан трубопроводами питательной воды 23 с паровым котлом 22 блока теплоэлектроцентрали 2 и с входным патрубком экономайзерной части первой ступени подогрева питательной воды 6 высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4 газотурбинного блока 1. Ее выходной патрубок связан трубопроводом подогретой питательной воды 28 с входным патрубком экономайзерной части (второй ступени подогрева питательной воды) газоводяного подогревателя питательной воды 29.

Выходной патрубок первой части испарительной поверхности нагрева этого подогревателя соединен трубопроводом 30 с входным патрубком второй испарительной поверхности нагрева 5 высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4. Выходной патрубок первой ступени пароперегревателя 5 высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора 4 соединен паропроводом 11 через поверхность нагрева второй ступени высоконапорного пароперегревателя 12 с паропроводом высокого давления 16 блока теплоэлектроцентрали 2.

Формула изобретения

Теплоэлектроцентраль, надстроенная газотурбинной установкой и содержащая газотурбинный блок, включающий воздушный компрессор, газовые турбины высокого и низкого давления, рекуператор, камеры сгорания высокого и низкого давления, газоводяной подогреватель, высоконапорный парогенератор; воздушный компрессор и газовая турбина высокого давления соединены общим валом, газовая турбина низкого давления связана валом с электрогенератором, камера сгорания высокого давления установлена в воздуховоде перед газовой турбиной высокого давления, камера сгорания низкого давления размещена в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления, рекуператор установлен по газовой стороне в газоходе между выхлопным патрубком газовой турбины низкого давления и газоводяным подогревателем питательной воды, а по воздушной стороне – в воздуховоде между воздушным компрессором и камерой сгорания высокого давления; блок теплоэлектроцентрали, включающий паровой котел, паропровод высокого давления, теплофикационную паровую турбину, соединенную общим валом с электрогенератором, деаэратор высокого давления, теплофикационную систему с трубопроводами обратной и прямой сетевой воды, поверхности нагрева высоконапорного парогенератора связаны на входе трубопроводами питательной воды с деаэратором блока теплоэлектроцентрали, а на выходе с паропроводом высокого давления этого блока, отличающаяся тем, что в воздуховоде между воздушным компрессором и рекуператором дополнительно размещен высоконапорный воздухоохладитель-парогенератор, включающий первую ступень экономайзерной, вторую часть испарительной и первую ступень пароперегревательной поверхностей нагрева, на входе по воде первая ступень экономайзерной поверхности нагрева высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора соединена через трубопровод питательной воды с деаэратором блока теплоэлектроцентрали, а на выходе с входным патрубком газоводяного подогревателя питательной воды, включающим вторую экономайзерную ступень питательной воды и первую часть испарительной поверхности нагрева; выходной патрубок газоводяного подогревателя питательной воды соединен трубопроводом со второй частью испарительной поверхности высоконапорного воздухоохладителя-парогенератора, выходной патрубок которого соединен паропроводом через дополнительный высоконапорный пароперегреватель второй ступени с паропроводом высокого давления блока теплоэлектроцентрали; по ходу продуктов сгорания в газопроводе между газовыми турбинами высокого и низкого давления последовательно размещены камера сгорания низкого давления и высоконапорный пароперегреватель второй ступени; по ходу продуктов сгорания в газоходе низкого давления после газоводяного подогревателя питательной воды установлен газоводяной подогреватель сетевой воды теплосети, подключенный к трубопроводам обратной и прямой сетевой воды блока теплоэлектроцентрали.

РИСУНКИ