Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В БАРАБАНЕ ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННОЙ ПАРОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ (ВАРИАНТЫ) И ТЕПЛОУТИЛИЗАЦИОННАЯ ПАРОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0001] Изобретение относится в целом к режиму комбинированного цикла и, более конкретно, к способу и установке для регулирования уровня воды в барабане во время запуска теплоутилизационной парогенераторной (ТУПГ) установки для энергоустановки с комбинированным циклом.

[0002] Обычно энергоустановка с комбинированным циклом содержит газовые турбины, паровые турбины и ТУПГ установки. ТУПГ установки в основном применяются для утилизации тепла отработанных газов, выходящих из газовой турбины, и последующего использования утилизированного тепла для получения пара и его подачи в паровую турбину. В целом, энергоустановка с комбинированным циклом содержит различные резервуары для воды, например котельный барабан, деаэраторный резервуар и конденсаторный резервуар. Обычно котельный барабан обеспечивает непрерывную подачу воды к ТУПГ установке и аккумулирует тепловую энергию для компенсации изменений количества пара, генерируемого или потребляемого в энергоустановке. Регулирование уровня воды в котельном барабане является чрезвычайно важным фактором с точки зрения как защиты энергоустановки, так и безопасности оборудования, и в равной степени относится как к высоким, так и к низким уровням воды в котельном барабане. Кроме того, в котельном барабане специально установлен сепаратор водяного пара, так что возможность попадания влажного пара в паровую турбину отсутствует. Поддержание уровня воды в котельном барабане в заданных пределах является важным фактором, поскольку выход за указанные пределы часто ведет к аварийным отключениям или повреждению оборудования, используемого в ТУПГ установке.

[0003] Кроме того, при запуске энергоустановки с комбинированным циклом уровень воды в котельном барабане резко повышается. Данное пусковое «набухание» уровня в барабане возникает вследствие того, что при нагреве воды в ТУПГ установке высокотемпературными отработанными газами газовой турбины происходит резкое повышение температуры воды в указанной установке и начинается быстрое испарение. В данном состоянии в паровом генераторе одновременно присутствуют паровая и жидкая фазы. Поскольку средний удельный объем (м³/кг) воды очень мал по сравнению с паром, это приводит к резкому подъему уровня воды в котельном барабане. Данный подъем уровня воды может превысить максимально допустимый уровень воды и, следовательно, создать проблему безопасности. Соответственно, при возникновении такого подъема уровня воды необходимо спустить лишнюю воду из барабана. Однако подъем уровня воды происходит настолько быстро, что для спуска лишней воды необходим точный контроль, в противном случае имеют место проблемы безопасности, особенно если ежедневно требуется выполнять периодический запуск и отключение энергоустановки с комбинированным циклом. Кроме того, тепловые потери, связанные со спуском лишней воды, влияют на эффективность указанной энергоустановки.

[0004] Таким образом, для предотвращения явления набухания в котельном барабане перед запуском энергоустановки понижают уровень воды в барабане. Обычно уровень воды в котельном барабане регулируют с обеспечением поддержания приблизительно постоянного уровня путем добавления воды в барабан или ее спуска из него. Однако регулирование уровня воды в котельном барабане представляет собой сложную проблему вследствие сложных динамических характеристик двухфазных потоков, наличия волн, неучтенного тепла, а также колебаний давления и требований по нагрузке.

[0005] Таким образом, существует необходимость в эффективном регулировании уровня воды в котельном барабане во время запуска ТУПГ установки для энергоустановки комбинированного цикла.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В соответствии с одним вариантом выполнения изобретения предложен способ регулирования уровня воды в котельном барабане ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом во время запуска. Указанный способ включает определение оптимального уровня воды в котельном барабане во время запуска теплоутилизационной парогенераторной установки на основании характеристической графической модели. Характеристическую графическую модель создают на основании значений давления пара в котельном барабане и значений температуры металла указанного барабана при запуске ТУПГ установки.

[0007] В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения предложен способ регулирования уровня воды в котельном барабане ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом во время запуска. Указанный способ включает измерение фактического уровня воды в котельном барабане во время запуска установки. Способ также включает измерение давления пара в котельном барабане. Способ дополнительно включает измерение температуры металла котельного барабана для определения температуры воды в указанном барабане. Кроме того, способ включает определение оптимального уровня воды в котельном барабане во время запуска ТУПГ установки на основании характеристической графической модели и последующее сравнение оптимального уровня и фактического уровня воды в котельном барабане. Наконец, способ включает регулирование уровня воды в котельном барабане путем подачи воды в указанный барабан или спуска воды на основании результатов сравнения оптимального уровня и фактического уровня воды в барабане.

[0008] В соответствии с еще одним вариантом выполнения изобретения предложена ТУПГ установка. Указанная установка содержит котельный барабан, предназначенный для размещения воды. Установка также содержит экономайзер, предназначенный для подачи нагретой воды к котельному барабану. Установка дополнительно содержит испаритель, соединенный с котельным барабаном при помощи опускных труб и испарительных труб. Установка содержит перегреватель, расположенный в паровом тракте и предназначенный для приема потока пара и создания потока перегретого пара. Установка также содержит измерительную систему, содержащую датчики для измерения температуры воды в котельном барабане, давления пара в котельном барабане и фактического уровня воды в котельном барабане. Наконец, установка содержит управляющее устройство, предназначенное для регулирования уровня воды в барабане путем подачи воды в указанный барабан или спуска воды на основании сравнения оптимального уровня и фактического уровня воды в барабане во время запуска теплоутилизационной парогенераторной установки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0009] Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:

[0010] фиг.1 изображает структурную схему варианта выполнения энергетической установки с комбинированным циклом, в которой используется ТУПГ установка,

[0011] фиг.2 изображает характеристическую графическую модель 100, которая показывает несколько характеристических кривых, служащих для определения оптимального уровня воды в котельном барабане во время запуска ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом,

[0012] фиг.3 изображает блок-схему способа регулирования уровня воды в котельном барабане ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] Данное изобретение в целом относится к режиму комбинированного цикла, более конкретно, к способу и установке для регулирования уровня воды в котельном барабане во время запуска ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом. Используемое в данном документе выражение «режим холодного запуска» подразумевает низкое давление в котельном барабане, температура воды в котором гораздо ниже температуры насыщения воды во время запуска. Кроме того, выражение «режим горячего запуска» подразумевает высокое давление в котельном барабане, температура воды в котором приблизительно равна температуре насыщения воды во время запуска. Способ включает создание характеристической графической модели на основании геометрических параметров барабана, испарителя и опускного стояка, а также на основании значений давлений насыщенного пара в барабане и значений температуры металла барабана при запуске ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом.

[0014] При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина «указанный» означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных. Любые примеры рабочих параметров не являются исключительными по отношению к другим параметрам описываемых вариантов выполнения.

[0015] На фиг.1 изображена структурная схема иллюстративного варианта выполнения энергетической установки 10 с комбинированным циклом, содержащей теплоутилизационную парогенераторную установку 12. Установка 10 содержит газовую турбину 14, предназначенную для приведения в действие первой нагрузки 16. Газовая турбина 14 обычно содержит турбину 18 и компрессор 20. Установка 10 также содержит паровую турбину (ПТ) 22, предназначенную для приведения в действие второй нагрузки 24. В одном варианте выполнения первая нагрузка 16 и вторая нагрузка 24 представляют собой электрический генератор, предназначенный для выработки электроэнергии. В другом варианте выполнения первая нагрузка 16 и вторая нагрузка 24 представляют собой нагрузки других типов, которые могут приводиться в действие при помощи газовой турбины 14 и паровой турбины 22. Кроме того, газовая турбина 14 и паровая турбина 22 также могут использоваться совместно для приведения в действие единой нагрузки через единый вал. В одном варианте выполнения паровая турбина 22 содержит ступень низкого давления, ступень среднего давления и ступень высокого давления. Однако конкретная конфигурация паровой турбины 22, а также газовой турбины 14 может определяться конкретным вариантом реализации и содержать любую комбинацию ступеней.

[0016] Как показано на фиг.1, энергетическая установка 10 содержит многоступенчатую теплоутилизационную парогенераторную (ТУПГ) установку 12. ТУПГ установка 12 упрощенно иллюстрирует обычный режим работы и не является ограничивающей. Из газовой турбины 14 в ТУПГ установку 12 поступают горячие отработанные газы 26, служащие для нагрева воды и пара. Обычная ТУПГ установка, помимо канала, по которому проходят горячие отработанные газы 26, в своем самом общем виде содержит три дополнительных компонента: перегреватель 28, испаритель 30 и экономайзер 32 или подогреватель питающей воды, которые расположены в порядке, соответствующем потоку отработанных газов 26 в канале. ТУПГ установка 12 содержит опускные трубы 36 и испарительные трубы 37. Экономайзер 32 и перегреватель 28 тоже содержат трубы, предназначенные для протекания воды или пара по ТУПГ установке 12. Кроме того, ТУПГ установка 12 содержит котельный барабан 34. Назначение барабана 34 заключается в обеспечении подачи постоянного количества воды к испарителю 30 по опускным трубам 36, а также в аккумуляции тепловой энергии, необходимой для компенсации изменений количества генерируемого или потребляемого пара. Пар, генерируемый в ТУПГ установке 12, подается в паровую турбину 22 по линии 38. К паровой турбине 22 может быть присоединен генератор (не показан) для выработки электричества.

[0017] Более того, выхлоп 40 из паровой турбины 22 направляется в конденсатор 42. Конденсат из конденсатора 42, в свою очередь, может направляться по линии 46 в ТУПГ установку 12 с помощью конденсатного насоса 44. Конденсат, проходящий через экономайзер 32, нагревается, но остается жидким, а затем подается в котельный барабан 34. Кроме того, перед поступлением в экономайзер 32 конденсат может быть пропущен через деаэратор (не показан) для удаления воздуха и других растворенных газов. Затем вода, накопленная в барабане 34, проходит через испаритель 30 для преобразования ее в насыщенный пар, а затем через перегреватель 28, который преобразует указанный насыщенный пар в перегретый пар. В одном варианте выполнения ТУПГ установка 12 может содержать ступень низкого давления, ступень среднего давления и ступень высокого давления.

[0018] Для поддержания безопасной работы барабана 34 ТУПГ установка 12 содержит систему регулирования уровня воды в котельном барабане, которая содержит управляющее устройство, предназначенное для регулирования уровня воды в барабане 34 путем подачи воды в котельный барана или спуска воды на основании сравнения оптимального уровня воды в барабане 34 и фактического уровня воды в указанном барабане 34 во время запуска ТУПГ установки 12. В одном варианте выполнения барабан 34 содержит спускной клапан, имеющий оптимальный размер и предназначенный для регулирования набухания во время запуска ТУПГ установки 12. Установка 12 также содержит измерительную систему, содержащую датчики, измеряющие температуру металла котельного барабана для определения температуры воды в котельном барабане, давление паров в барабане 34, а также фактический уровень воды в барабане 34. Система регулирования уровня воды в котельном барабане определяет оптимальный уровень воды в указанном барабане во время запуска на основании характеристической графической модели, изображенной на фиг.2.

[0019] Фиг.2 изображает характеристическую графическую модель 100, которая показывает несколько характеристических кривых, построенных с учетом паросодержания и отражающих зависимость между различными объемами воды при запуске для заданной котельной барабанной установки в виде функции давления и температуры в барабане во время запуска ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом. Котельная барабанная установка обычно содержит котельный барабан, опускные трубы и испарительные трубы (котельный барабан 34, опускные трубы 36 и испарительные трубы 37, показанные на фиг.1). По оси X, обозначенной стрелкой 102, отложено давление в барабане. По оси Y, обозначенной стрелкой 104, отложен начальный объем воды, выраженный в виде доли объема котельного барабана. Изображенные характеристические кривые 106, 107 и 108 построены с использованием уравнения водно-парового массового равновесия, в которое входят такие параметры, как плотность воды, плотность пара, объем котельного барабана, объем опускного стояка (объем опускных труб 36, показанных на фиг.1), объем испарителя (объем испарительных труб 37, показанных на фиг.1), паросодержание при различных температурах металла котельного барабана и давление в указанном барабане во время запуска. Необходимо отметить, что температура металла котельного барабана служит показателем температуры воды, а давление в котельном барабане служит показателем давления пара в указанном барабане во время запуска энергоустановки с комбинированным циклом. Как показано на модели 100, характеристическая кривая 106 рассчитана для температуры металла барабана, которая существенно ниже температуры насыщения. Таким образом, характеристическая кривая 106 представляет собой кривую, построенную для режима холодного запуска. Характеристическая кривая 108 рассчитана для температуры металла барабана, которая по существу близка к температуре насыщения. Таким образом, характеристическая кривая 106 представляет собой кривую, построенную для режима горячего запуска. Необходимо отметить, что температура металла барабана влияет на паросодержание в котельном барабане. Поскольку имеет место повышение паросодержания, то кривая 106 отражает повышение паросодержания относительно кривой 108, как показано на фиг.2. В одном варианте выполнения для модели 100 может быть создано несколько характеристических кривых, построенных на основании значений температуры металла барабана, изменяющихся между режимом холодного запуска и режимом горячего запуска ТУПГ установки. Одна такая промежуточная характеристическая кривая 107 изображена между кривыми 106 и 108. Линия 110 изображает минимальный безопасный уровень воды в котельном барабане во время запуска. В конкретном варианте выполнения построение графической характеристической модели 100 предполагает вычисления, выполняемые с использованием процессора.

[0020] Следует отметить, что варианты выполнения изобретения не ограничены каким-либо конкретным процессором, предназначенным для выполнения задач обработки данных согласно изобретению. Подразумевается, что используемый в данном документе термин «процессор» обозначает любое устройство, способное производить расчеты, или вычислительные операции, необходимые для выполнения задач изобретения. Подразумевается, что термин «процессор» означает любое устройство, способное осуществлять прием структурированных входных данных и обрабатывать их в соответствии с установленными правилами с обеспечением получения выходных данных. Кроме того, следует отметить, что процессор может содержать комбинацию аппаратного и программного обеспечения для выполнения задач изобретения, как должно быть понятно специалистам.

[0021] В качестве неограничивающего примера, уравнение водно-парового массового равновесия, применяемое для расчета характеристических кривых паросодержания в изображенной модели 100, может иметь следующий вид:

[0022] Уравнение (1) приведено для разных давлений (P_drum0 и P_drum0+ΔP). Общие уравнения (2) и (3) для определения массы воды и пара при давлениях P_drum0 и P_drum0+ΔP могут иметь следующий вид:

[0023] Величина «х» обозначает объем воды, выраженный в виде доли объема барабана. Величины объема барабана, объема опускного стояка, объема испарителя, плотности воды и плотности пара в уравнениях (1) и (2) обозначены соответственно как V_drum, V_downcomer, V_evap, ρ_w и ρ_s. Величина представляет собой среднюю объемную долю, которая зависит от плотности ρ_w воды, плотности ρ_s пара и паросодержания α_r на выходе испарителя и определяется следующим соотношением:

[0024] , где

[0025] Паросодержание α_r на выходе испарителя изменяется с изменением значений температуры металла барабана. Необходимо отметить, что расчет вышеприведенных уравнений (1), (2) и (3) выполняют на основании ряда допущений, таких как линейное изменение паросодержания в испарителе, максимальный уровень в котельном барабане при изменении давления в барабане от приблизительно 100 до 150 фунтов/кв.дюйм (от 75,70 до 113,55 кПа) и отсутствие пара в опускном стояке. В результате строят несколько характеристических кривых паросодержания (например, кривые 106, 107, 108, изображенные на фиг.2) и, как следствие, получают характеристическую графическую модель 100. Таким образом, модель 100 может использоваться для определения оптимального уровня воды в барабане при запуске, выраженного в виде доли объема котельного барабана и обеспечивающего безопасную работу указанного барабана.

[0026] На фиг.3 изображена блок-схема способа 200 регулирования уровня воды в котельном барабане ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом. На этапе 202 способа измеряют фактический уровень воды в котельном барабане во время запуска установки. На этапе 204 способа дополнительно измеряют давление пара в котельном барабане и температуру металла барабана для определения температуры воды в указанном барабане. ТУПГ установка содержит измерительную систему, предназначенную для измерения фактического уровня воды в барабане, температуры металла барабана и давления пара в барабана. Способ также включает сравнение измеренной температуры металла барабана с температурой насыщения воды. Далее, на этапе 206 способа определяют оптимальный уровень воды в барабане во время запуска теплоутилизационной парогенераторной установки на основании характеристической графической модели. Как изложено выше применительно к фиг.2, характеристическую графическую модель строят на основании значений давления насыщенного пара в барабане и значений температуры металла барабана при запуске ТУПГ установки. Указанная модель изображает характеристические кривые паросодержания для различных температур металла барабана при разном давлении в барабане во время запуска. Таким образом, измеренные при запуске температура металла барабана и давление в барабане облегчают эффективное определение оптимального уровня воды в барабане во время запуска ТУПГ установки на основании характеристической модели. На этапе 208 способа сравнивают оптимальный уровень и измеренный фактический уровень воды в котельном барабане. Наконец, на этапе 210 способа выполняют регулирование уровня воды в котельном барабане путем подачи воды в указанный барабан или спуска воды на основании результатов сравнения оптимального уровня и фактического уровня воды в котельном барабане. В одном варианте выполнения регулирование итогового уровня воды в котельном барабане также может осуществляться путем управления величиной нагрузки газовой турбины энергоустановки с комбинированным циклом для замедления кипения в испарителе ТУПГ установки. В другом варианте выполнения уровень воды в барабане регулируют путем подачи холодной воды в котельный барабан. Необходимо отметить, что температура используемой холодной воды может быть приблизительно на 30-40°С ниже температуры металла барабана. Температуру холодной воды выбирают с обеспечением отсутствия быстрого охлаждения котельного барабана.

[0027] Преимущественно данный способ и установка в соответствии с одним вариантом выполнения обеспечивают возможность определения оптимального уровня воды в котельном барабане во время запуска энергоустановки с комбинированным циклом. Это обеспечивает возможность энергетически эффективной регулировки уровня воды в котельном барабане путем спуска минимально возможного количества горячей воды из указанного барабана во время запуска с исключением, таким образом, тепловых потерь. Более того, данное изобретение также предусматривает создание характеристической графической модели, которая облегчает определение оптимального уровня воды в барабане во время запуска на основании измеренных температуры металла котельного барабана и давления в указанном барабане. Данная характеристическая модель обеспечивает возможность определения наиболее подходящего уровня воды в котельном барабане. Это эффективно препятствует возникновению явления набухания котельного барабана во время запуска и обеспечивает безопасную работу барабана.

[0028] Несмотря на то что в данном документе изображены и описаны лишь некоторые характерные особенности изобретения, специалистом в данной области техники может быть создано множество модификаций и изменений. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения как находящиеся в рамках идеи изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

10 энергетическая установка с комбинированным циклом

12 ТУПГ установка

14 газовая турбина

16 первая нагрузка

18 турбина

20 компрессор

22 паровая турбина

24 вторая нагрузка

26 горячие отработанные газы

28 перегреватель

30 испаритель

32 экономайзер

34 котельный барабан

36 опускные трубы

37 испарительные трубы

38 линия

40 выхлоп

42 конденсатор

44 конденсатный насос

46 линия

100 графическая модель, изображающая характеристические кривые, построенные с учетом паросодержания и отражающие зависимость между различными объемами воды при запуске для заданной котельной барабанной установки в виде функции давления и температуры в барабане во время запуска ТУП Г установки для энергоустановки с комбинированным циклом

102 ось X, отображающая давление в барабане

104 ось Y, отображающая начальный объем воды в виде доли объема котельного барабана

106 характеристическая кривая

107 характеристическая кривая

108 характеристическая кривая

200 способ регулирования уровня воды в котельном барабане ТУПГ установки для энергоустановки с комбинированным циклом

202 этап измерения фактического уровня воды в котельном барабане во время запуска установки

204 этап измерения давления пара в котельном барабане и температуры металла барабана для определения температуры воды в котельном барабане

206 этап определения оптимального уровня воды в барабане во время запуска теплоутилизационной парогенераторной установки на основании графической характеристической модели

208 этап сравнения оптимального уровня и измеренного фактического уровня воды в котельном барабане

210 этап регулирования уровня воды в котельном барабане путем подачи воды в котельный барабан или спуска воды на основании результатов сравнения оптимального уровня и фактического уровня воды в котельном барабане.