Результат интеллектуальной деятельности: ПАРОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для повышения КПД паросиловых установок (ПСУ). Наибольший эффект может быть достигнут при использовании изобретения в ПСУ малой и средней мощности (ниже 120 МВт), работающих на твердом топливе либо на низкокалорийном синтетическом газе низкого давления, получаемом путем газификации (пиролиза) нетоксичных твердых бытовых и производственных горючих отходов, а также в ПСУ, работающих на природном газе низкого давления, подаваемом из городских газовых сетей.

Повышение КПД ПСУ обеспечивают путем увеличения срабатываемого теплоперепада в паровой турбине за счет повышения начального давления пара и применения промежуточного перегрева пара за частью высокого давления паровой турбины, а также путем надстройки ПСУ газовыми турбинами со сбросом выхлопных газов газовой турбины в котел с превращением ПСУ в так называемые сбросные парогазовые установки (ПГУС).

Известна ПГУС (Безлепкин В.П. Парогазовые установки со сбросом газов в котел // Л., Машиностроение, Ленингр. отд-е, 1984, с. 9, рис. 1.1), содержащая энергетическую паровую турбину (ЭПТ) 9 с конденсатором и турбогенератором, котел 5 с топкой, испарителем, перегревателями пара высокого давления (в.д.) и промежуточного пара и газоводяными подогревателями (газоводяными теплообменниками), а также содержащая газотурбинный агрегат (ГТА) 1 с компрессором, камерой сгорания и газовой турбиной, сообщенной на выходе по рабочему телу с входом топки котла 5 по окислителю (среде сжигания) топлива, и турбогенератором ГТА, установленным на валу газовой турбины.

Энергетическая паровая турбина 9 выполнена трехцилиндровой, цилиндр в.д. (ЦВД) сообщен на входе по пару с выходом перегревателя пара в.д. котла 5 по пару, на выходе по пару - через тракт перегревателя промежуточного пара котла 5 - с входом цилиндра среднего давления (ЦСД) по пару.

Недостатками приведенного аналога являются необходимость в наличии газотурбинного топлива - природного газа высокого давления либо очищенного от пыли и вредных примесей синтетического топлива высокого давления, что связано с дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами, а также пониженное содержание кислорода на выхлопе газовой турбины, что затрудняет сжигание низкокалорийного топлива в топке котла. Кроме того, применение двух- и более цилиндровой паровой турбины с высоким давлением пара перед ЦВД и промежуточным перегревом пара за ЦВД для ЭПТ малой и средней мощности не представляется возможным из-за чрезмерного снижения высоты лопаток ЦВД и резкого падения его адиабатического КПД.

Известны также энергосиловые установки с котлами, содержащими рекуперативные воздухоподогреватели (РВП), осуществляющие нагрев сжатого воздуха за компрессором перед воздушной турбиной («High Efficiency Electric Power Generation; The Environmental Role» / Janos Beer // Massachusetts Institute of Technology Cambridge, USA, 2007, http://mitei.mit.edu/system/files/beer-combustion.pdf; «Innovative Technological Initiatives to Upgrade Power Plants» / J.M. Beer, and V. Homola // IEA-USDOE-USAID International Conference in Clean Coal Utilization, Budapest, Hungary, February 24-28, 1992 и др.). Из уровня техники известны змеевики, предназначенные для работы с теплоносителями при температурах выше 900°C, которые могут быть использованы для изготовления высокотемпературных РВП («Разработка жаростойких сплавов для элементов конструкции радиантной части змеевиков высокотемпературных установок нефтесинтеза» / Орыщенко А.С, д.т.н., Генеральный директор // ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», http://sgm-oil.ru/info/prometey.pdf). Замена камер сгорания ГТА, используемых для надстройки ПСУ по сбросной схеме, на высокотемпературные РВП с превращением газовой турбины в воздушную турбину (ВТ), а ГТА - в воздушный турбодвигатель (ВТД) позволяет устранить необходимость в наличии газотурбинного топлива (природного газа высокого давления или др.), повысить ресурс газовой (воздушной) турбины и обеспечить достаточно высокое содержание кислорода в среде сжигания низкокалорийного топлива в топке котла.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является ПСУ (Сбросные ПГУ с угольными паротурбинными блоками большой мощности: термодинамический аспект / Михайлов В.Е., Верткин М.А., Кругликов П.А. и др. // Энергетик, 2014, №1, с. 13, рис. 2), содержащая паровой котел (парогенератор) 2 с РВП 15, трехцилиндровую энергетическую паровую турбину (ЭПТ) с ЦВД 6, ЦСД 7 и турбогенератором 8, воздушный компрессор ВТД 13, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, на выходе по воздуху - с входом РВП 15 по воздуху, и воздушную турбину (ВТ), сообщенную на выходе по воздуху с входом котла 2 по окислителю топлива (воздуху), на входе по воздуху - с выходом РВП 15 по воздуху. ЦВД 6 сообщен на входе по пару с выходом парового котла по пару, на выходе по пару - через тракт промежуточного пароперегревателя - с входом ЦСД 7 по пару.

Недостаток прототипа состоит в невозможности его применения в ПСУ малой или средней мощности. В прототипе ВТД 13 выполнен по одновальной схеме, компрессор и ВТ установлены на одном валу с ЭПТ и турбогенератором без использования редуктора, что возможно лишь при достаточно больших расходах воздуха через компрессор, т.е. в ПСУ большой мощности. В ПСУ меньшей мощности и, соответственно, с меньшими расходами циклового воздуха обороты компрессора повышают для увеличения относительной длины последних лопаток компрессора и повышения его адиабатического КПД. Трехцилиндровое исполнение ЭПТ с высоким начальным давлением перед ЦВД и промежуточным перегревом пара за ЦВД для малорасходных ЭПТ также неприменимо по указанным выше причинам. Срабатываемый теплоперепад в ЭПТ малой или средней мощности оказывается невысоким, что отрицательно сказывается на КПД ПСУ.

Задачей изобретения является повышение КПД ПСУ малой и средней мощности за счет увеличения теплоперепада, срабатываемого в паротурбинной части ПСУ. Это достигается тем, что в отличие от прототипа и других известных технических решений, ПСУ содержит приводную паровую турбину (ППТ), сообщенную на входе по пару с выходом котла по пару, на выходе по пару - с входом ЭПТ по пару, при этом ВТ установлена на одном валу с ЭПТ таким образом, что уплотнение вала ЭПТ со стороны входа по пару сообщено на выходе по протечкам пара уплотнений с трактом по сжатому воздуху перед ВТ, а воздушный компрессор выполнен либо одновальным и установленным на одном свободном валу с ППТ в общем герметичном корпусе, либо двухвальным, состоящим из компрессоров низкого и высокого давления, при этом компрессор низкого давления (н.д.) установлен на одном валу с ЭПТ, а компрессор в.д. установлен на одном свободном валу с ППТ в общем герметичном корпусе.

В ходе проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, заявитель не обнаружил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из определенного заявителем известного уровня техники.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату.

Установка воздушного компрессора или его каскада в.д. на одном свободном валу с ППТ позволяет увеличить частоту вращения роторов компрессора (или его каскада в.д.) и ППТ до оптимальных для турбомашин малой и средней мощности значений, т.е. до 6000-12000 об/мин, с соответствующим уменьшением диаметров ступеней и увеличением относительных высот лопаток этих турбомашин, что, в свою очередь, позволяет повысить начальное давление перед ППТ примерно в 2-3 раза без ущерба для величины ее адиабатического КПД, благодаря этому повысить суммарный теплоперепад и суммарную полезную мощность, вырабатываемую в приводной и энергетической паровых турбинах. Предложенное конструктивное объединение турбомашин в блоки - блок ППТ-компрессор (компрессор в.д.), размещенный в общем герметичном корпусе, и блок ЭПТ-ВТ с выводом протечек пара уплотнений вала ЭПТ со стороны входа по пару в область сжатого воздуха перед ВТ - позволяет кинематически разделить паротурбинную часть, а при необходимости - и компрессор, на высокооборотную часть, имеющую относительно короткие рабочие лопатки, и на низкооборотную часть - ЭПТ и, возможно, компрессор н.д., повышение оборотов которых недопустимо по прочностным характеристикам длинных рабочих лопаток последних ступеней ЭПТ и первой ступени компрессора н.д., исключив при этом попадание возможных протечек пара уплотнений в машинный зал и обеспечив их утилизацию в качестве дополнительного рабочего тела ВТ и дополнительного окислителя для сжигания угарного газа (СО), образующегося при газификации твердых топлив.

Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведен вариант заявляемой ПСУ с одновальным воздушным компрессором, на фиг. 2 - с двухвальным компрессором.

ПСУ содержит паровой котел с рекуперативным воздухоподогревателем (РВП) 8, энергетическую паровую турбину (ЭПТ) 1 с турбогенератором 3, воздушный компрессор, сообщенный на входе по воздуху с атмосферой, на выходе по воздуху - с входом РВП 8 по воздуху, и воздушную турбину (ВТ) 13, сообщенную на выходе по воздуху с входом котла (топки 4) по воздуху, на входе по воздуху - с выходом РВП 8 по воздуху.

Согласно изобретению, ПСУ содержит приводную паровую турбину (ППТ) 14, сообщенную на входе по пару с выходом парового котла (пароперегревателя 6) по пару, на выходе по пару - с входом ЭПТ 1 по пару (в приведенном на фиг. 1 примере - через тракт промежуточного пароперегревателя 7), при этом ВТ 13 установлена на одном валу с ЭПТ 1 таким образом, что уплотнение вала 15 со стороны входа ЭПТ 1 по пару на выходе по протечкам пара уплотнений сообщено с трактом по сжатому воздуху перед ВТ 13, а воздушный компрессор выполнен либо одновальным (фиг. 1, поз. 12) и установлен на одном свободном валу с ППТ 14 в общем герметичном корпусе, либо выполнен двухвальным (фиг. 2), состоящим из компрессоров н.д. 21 и в.д. 12, при этом компрессор н.д. 21 установлен на одном валу с ЭПТ 1, а компрессор в.д. 12 установлен на одном свободном валу с ППТ 14 в общем герметичном корпусе.

На фиг. 1 и 2 также изображены конденсатор 2 паротурбинной установки, топка 4, испаритель 5, пароперегреватель 6 и экономайзер 9 парового котла, а также регулирующий клапан (РК) 17 подачи топлива в горелки топки 4. Топливо, подаваемое в топку 4, в обоих примерах предполагается газообразным или жидким. Воздушный компрессор на входе по воздуху снабжен органом регулирования расхода воздуха в компрессор - одним или несколькими входными направляющими аппаратами (ВНА) 16.

В ПСУ на фиг. 1 паровой котел также содержит промежуточный пароперегреватель 7 и газо-водяные подогреватели (ГВП) 10 и 11, а ПСУ снабжена деаэратором 18 и регенеративными подогревателями н.д. (ПНД) 19 и в.д. (ПВД) 20, установленными, соответственно, на линии конденсата за конденсатором 2 и питательной воды за деаэратором 18 параллельно ГВП 11 и 10. ПСУ на фиг. 2 содержит воздухоохладитель 22, установленный на линии подачи воздуха из компрессора н.д. 21 в компрессор в.д. 12, сообщенный на входе по охлаждающей воде с выходом конденсатора 2 по конденсату (воде), на выходе по охлаждающей воде - с входом котельного экономайзера 9 по питательной воде. ПСУ работает следующим образом.

Пуск ПСУ может быть осуществлен с использованием любых известных из технического уровня пусковых устройств: пускового электродвигателя, установленного на валу компрессора 12 и ППТ 14 (фиг. 1), либо тиристорного пускового устройства турбогенератора 3 (фиг. 2), либо пусковой воздуходувки, предназначенной для подачи воздуха в топку 4 во время растопки котла и набора нагрузки до технологического минимума.

В установившемся режиме пар, поступающий из котла (из пароперегревателя 6) в ППТ 14, совершает работу по приводу компрессора 12 (фиг. 1) или компрессора в.д. 12 (фиг. 2), осуществляющего сжатие и подачу воздуха в РВП 8, где сжатый воздух нагревают до 900-1200 К и подают в ВТ 13. Из ППТ 14 пар подают (в приведенном на фиг. 1 примере - через тракт перегревателя промежуточного пара 7) на вход ЭПТ 1 по пару, где пар совершает работу по приводу турбогенератора 3. Отработанный в ЭПТ 1 пар конденсируют в конденсаторе 2, конденсат отработанного пара нагревают в регенеративных и газоводяных подогревателях 10, 11, 19, 20 и деаэраторе 18 (фиг. 1) или в воздухоохладителе 22 (фиг. 2) и подают в экономайзер 9, далее - в испаритель 5, где вырабатывают пар, который перегревают в пароперегревателе 6 и подают в приводную паровую турбину 14.

Давление воздуха перед ВТ 13 - скользящее, устанавливается в зависимости от текущих значений температуры воздуха перед ВТ 13 и производительности воздушного компрессора, зависящей, в свою очередь, от температуры наружного воздуха, а в варианте фиг. 1 - и от оборотов компрессора 12. В оптимальном исполнении компрессора и ВТ давление перед ВТ 13 и степень сжатия в компрессоре в номинальном режиме для расчетных условий соответствует максимуму разности мощностей ВТ и компрессора. На переменных режимах расход воздуха в компрессор регулируют при помощи ВНА 16 по величине оборотов вала с роторами компрессора (компрессора в.д.) 12 и ППТ 14. Топливо подают к горелкам топки 4 с регулированием при помощи РК 17 по заданной величине нагрузки в рамках заданных ограничений.

С увеличением подачи топлива в топку 4 через РК 17 (для увеличения мощности ПСУ) производительность пара в.д. и мощность ППТ 14 возрастают, поддержание оборотов вала ППТ 14 на оптимальном уровне обеспечивают приоткрытием ВНА 16, при этом расход воздуха через компрессор и давление воздуха перед ВТ 13 увеличиваются. Однако давление пара перед ЭПТ 1 с увеличением расхода пара в ЭПТ также увеличивается, т.е. на всех режимах давление пара перед ЭПТ 1 превышает давление воздуха перед ВТ 13.

Установка воздушного компрессора или его каскада в.д. 12 на одном свободном валу с ППТ 14 позволяет увеличить частоту вращения роторов компрессора (или его каскада в.д.) и ППТ до оптимальных для малорасходных турбомашин значений, т.е. до 6000-12000 об/мин, с соответствующим уменьшением диаметров ступеней и увеличением относительных высот лопаток этих турбомашин, что, в свою очередь, позволяет повысить начальное давление перед ППТ 14 примерно в 2-3 раза без ущерба для величины ее адиабатического КПД, благодаря этому повысить суммарный теплоперепад и суммарную полезную мощность, вырабатываемую в ППТ 14 и ЭПТ 1. Предложенное конструктивное объединение турбомашин в блоки - блок ППТ 14-компрессор (компрессор в.д.) 12, размещенный в общем герметичном корпусе, и блок ЭПТ 1-ВТ 13 с выводом протечек пара уплотнений вала ЭПТ 1 со стороны входа по пару в область сжатого воздуха перед ВТ 13 - позволяет кинематически разделить паротурбинную часть, а при необходимости - и компрессор, на высокооборотную часть, имеющую относительно короткие рабочие лопатки, и на низкооборотную часть - ЭПТ 1 и, возможно, компрессор н.д. 21, повышение оборотов которых недопустимо по прочностным характеристикам длинных рабочих лопаток последних ступеней ЭПТ 1 и, возможно, первой ступени компрессора н.д. 21, исключив при этом попадание возможных протечек пара уплотнений в машинный зал и обеспечив их утилизацию в качестве дополнительного рабочего тела ВТ и дополнительного окислителя для сжигания угарного газа (СО), образующегося при газификации твердых топлив.

Приведенные примеры представлены для иллюстрации заявляемого изобретения по обоим альтернативным признакам формулы и не исчерпывают всех возможных вариантов его применения. В частности, котел может быть выполнен работающим на твердом топливе и снабжен известными из технического уровня устройствами для подготовки и подачи твердого топлива в топку и вывода шлакозольных остатков из топки, либо надстроен газификатором твердого топлива с подачей смеси природного газа и вырабатываемого в газификаторе синтетического газа в топку котла (Гибридные угольно-газовые ПГУ большой мощности: основные технические и схемные решения / Михайлов В.Е., Верткий М.А., Кругликов П.А. и др. // Энергетик, 2013, №12, с. 8). ЭПТ 1 может содержать дополнительные промежуточные отборы пара на теплофикацию и (или) на производственные нужды либо быть турбиной с противодавлением и вообще не иметь конденсатора. В ПСУ с одновальным компрессором (фиг. 1) ППТ14 на выходе по пару может быть сообщена с входом ЭПТ 1 по пару непосредственно, а не через тракт промежуточного пароперегревателя 7, который может отсутствовать. В ПСУ с двухвальным компрессором (фиг. 2) компрессор н.д. на выходе по воздуху может быть сообщен с входом компрессора в.д. по воздуху непосредственно, а не через воздухоохладитель 22, который также может отсутствовать. Воздушная турбина на входе по воздуху может быть сообщена с выходом газо-воздушного подогревателя по воздуху не непосредственно, а через тракт камеры дожигания топлива по воздуху, установленной на линии подачи воздуха из РВП для дополнительного повышения температуры газа перед воздушной турбиной, что благодаря высокой температуре воздуха за РВП не приведет к существенному снижению содержания кислорода за воздушной турбиной (О предпроектной проработке гибридной угольной ПГУ с воздухонагревателем // Гордеев С.И., Шульман В.Л., Рыжков А.Ф. и др./ Электрические станции, 10, 2012, с. с. 17-21), вал турбогенератора 3 может быть присоединен к валу ЭПТ 1 не путем установки роторов на один вал, как показано на фиг. 1 и 2, а через редуктор (при использовании ЭПТ достаточно малой мощности с укороченной последней ступенью), и т.п.

Выбор оптимального варианта ПСУ зависит от многих факторов: от условий эксплуатации, от проектных значений уровня температуры воздуха за РВП и пара за перегревателем, проектной мощности ПСУ, теплотворной способности топлива, коэффициента избытка воздуха, подаваемого в топку котла, и т.п., однако в любом варианте применение заявляемого изобретения в ПСУ малой или средней мощности позволит повысить КПД ПСУ по сравнению с прототипом или другими известными аналогами.