Результат интеллектуальной деятельности: ПАРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ

Изобретение относится к паротурбинной электростанции, содержащей некоторое количество парциальных турбин соответственно с возможностью прохождения через них пара, перепускной трубопровод, расположенный между первой парциальной турбиной и второй парциальной турбиной, и промежуточный пароперегреватель в перепускном трубопроводе.

Паротурбинная электростанция названного типа известна, например, из публикации ЕР 1744 032 AI. В ней паротурбинная электростанция, выполненная как комбинированная газовая и паротурбинная электростанция (GUD), содержит некоторое количество парциальных турбин, рассчитанных для различного давления, через которые проходит пар. Пар направляется, например, после выхода из выполненной в качестве турбины высокого давления парциальной турбины через перепускной трубопровод в промежуточный пароперегреватель. Другой перепускной трубопровод расположен между турбиной среднего давления и турбиной низкого давления. Этот перепускной трубопровод оборудован клапаном для отбора пара для обогрева или технологического пара. Технологический пар подводится через паропровод к технической установке или промышленному предприятию.

Особенно для паротурбинных электростанций, к которым предъявляют очень высокие требования относительно коэффициента полезного действия, идет поиск подходящих возможностей по отбору соответствующих больших масс пара. Большие массы пара необходимы, например, для отбора теплоснабжения, для переработки топлива, в частности, для сушки бурого угля, или для абсорбционной очистки газообразных продуктов сгорания, в частности для осаждения СО₂. Эти потребители нуждаются наряду с большими массами пара, которые могут составлять вплоть до половины подводимой в парциальную турбину низкого давления обычной паротурбинной электростанции массы пара, к тому же в паре с относительно низким уровнем температуры от 100°C до 150°C, вблизи температуры конденсации.

Согласно публикации 1744 032 AI отбор пара из перепускного трубопровода происходит между двумя парциальными турбинами, в частности между паровой турбиной среднего давления и паровой турбиной низкого давления. Если при этом отбирают большие массы пара, то это значительно снижает коэффициент полезного действия паротурбинной электростанции, что было бы нежелательным.

Задача изобретения состоит в приготовлении для паротурбинной электростанции пара для специфического потребителя с высоким расходом пара, причем чтобы при возможно более низких издержках сохранять по возможности более высокий коэффициент полезного действия.

Эта задача решается согласно изобретению с помощью паротурбинной электростанции с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения.

Согласно этому пункту паротурбинная электростанция содержит некоторое количество парциальных турбин, через которые соответственно проходит пар; перепускной трубопровод, расположенный между первой парциальной турбиной и второй парциальной турбиной, и промежуточный пароперегреватель в перепускном трубопроводе. При этом к первой парциальной турбине, после ступени расширения, перед промежуточным пароперегревателем гидравлически подключена линия отбора для отбора пара. Предусмотрено расширительное устройство, в которое впадает линия отбора, и потребитель, подключенный посредством паропровода технологического пара к расширительному устройству.

На первом этапе изобретение исходит из факта, что до настоящего времени массу пара отбирали, как правило, из перепускных трубопроводов после промежуточного пароперегревателя. Однако перегретый пар поставляет для указанных потребителей, таких, в частности, как очиститель газообразных продуктов или устройство для переработки топлива, более высокие, чем необходимо, температуры, а вследствие этого избыток свободной энергии. В результате избыток свободной энергии пропадает не использованным, вследствие чего снижается коэффициент полезного действия паротурбинной электростанции.

Эта проблема решается в рамках изобретения посредством того, что пар отбирают перед промежуточным пароперегревателем через линию отбора. Такой пар имеет пригодный для подключенных потребителей уровень температуры. Так как пар выходит из паротурбинной электростанции без ненужных потерь свободной энергии, можно удерживать более высокий по сравнению с известными до настоящего времени решениями общий коэффициент полезного действия паротурбинной электростанции. Другими словами, изобретение предусматривает отвод пара перед так называемым холодным паропроводом промежуточного пароперегревателя или из него, из подвода к промежуточному пароперегревателю. При этом изобретение содержит также такие выполнения, в которых необходимый пар отводят, по существу, или преимущественно из перепускного трубопровода перед промежуточным пароперегревателем, и причем другую, более незначительную долю пара добавляют дополнительно, например, из перепускного трубопровода после промежуточного пароперегревателя. В целом, это может быть экономически целесообразнее для специфического потребителя при рассмотрении всей системы или в отдельных случаях приводить к более высокому общему коэффициенту полезного действия.

На следующем этапе изобретение предусматривает расширительное устройство, в котором отобранный пар расширяется перед дальнейшей передачей потребителю до соответствующего уровня давления. При расширении также снижается температура пара и это позволяет целенаправленно регулировать необходимые для потребителей условия. В частности, пар можно точно регулировать при выполнении работ в соответствии с используемым потребителем уровнем. Благодаря этому расширительное устройство предоставляет следующее преимущество: повышение общего коэффициента полезного действия паротурбинной электростанции посредством расширения пара при выполнении работы для совокупной системы.

Паротурбинная электростанция является преобладающим типом конструкции электростанции для обычного производства электрической энергии из ископаемого топлива, при котором в паровой турбине используют тепловую энергию водяного пара. Для эксплуатации паровой турбины водяной пар нагревают в паровом котле и подают в паровую турбину. В ней пар расширяется. Освобождающаяся при расширении работа выполняет работу, например, в присоединенном к турбине генераторе. Паровой котел топят обычным топливом, например природным газом или углем. В случае комбинированной электростанции (GUD) отработавший газ газовой турбины подводят для приготовления пара в паровой котел-утилизатор. Использование содержащегося в потоке отработавшего газа газовой турбины остаточного тепла позволяет достигать особенно высокого общего коэффициента полезного действия в подобной комбинированной газовой и паротурбинной установке, а вследствие этого также экономить топливо. Это представляет большой интерес, принимая во внимание требования к охране окружающей среды.

Паротурбинная электростанция содержит, как правило, несколько парциальных турбин, рассчитанных соответственно для разного давления. В ней обычно имеются, например, последовательно подключенные парциальные турбины высокого давления (HD), среднего давления (MD) и низкого давления (ND). Также возможно, что паровая турбина имеет несколько парциальных турбин, которые рассчитаны для одинакового давления.

Внутри паровой турбины пар парциальной турбины с высоким давлением (например, парциальной турбины HD) расширяется в направлении парциальной турбины с самым низким давлением (например, парциальной турбины ND). Количество ступеней расширения, в частности количество подключенных последовательно парциальных турбин, может быть при этом различным - в зависимости от использования и подключенных потребителей. Отдельные парциальные турбины могут быть выполнены однотопочными или многотопочными.

Указанная в данном случае паротурбинная электростанция содержит перепускной трубопровод с промежуточным пароперегревателем, расположенным между первой парциальной турбиной и второй парциальной турбиной. Через такой перепускной трубопровод, расширенный в парциальной турбине высокого давления, пар подводят, например, в парциальную турбину среднего давления для его дальнейшего расширения в ней.

При этом промежуточный пароперегреватель снова перегревает выходящий из первой парциальной турбины и расширенный ранее пар. Наконец, перегретый пар направляется во вторую парциальную турбину с более низким уровнем давления. В ней пар снова расширяется. В паротурбинной электростанции можно предусмотреть несколько промежуточных пароперегревателей. В зависимости от количества парциальных турбин паротурбинная электростанция может быть выполнена с одним или несколькими промежуточными пароперегревателями.

Линия отбора подключена к первой парциальной турбине после ступени расширения, а именно гидравлически перед промежуточным пароперегревателем. Посредством линии отбора технологический пар можно отбирать из системы турбин. Линия отбора может быть подключена, по существу, непосредственно к турбине или ответвляться в подводящий трубопровод к промежуточному пароперегревателю.

Расширительное устройство подключается со стороны выхода через трубопровод технологического пара к потребителю. Расширенный в расширительном устройстве технологический пар, а вследствие этого отрегулированный до необходимого уровня, направляется через трубопровод технологического пара непосредственно к потребителю. Расширительное устройство рассчитано, предпочтительно, поставлять потребителю, по существу, всю необходимую массу пара.

В соответствии с названными ранее специфическими потребителями, нуждающимися в невероятно больших массах пара с относительно низким уровнем температуры, расширительное устройство рассчитано, в частности, для расширения больших масс пара с поставляемым уровнем давления из холодного трубопровода промежуточного пароперегревателя до давления примерно около от 1,5 до 5 бар при уровне температуры около от 100°C до 150°C. Например, абсорбционная очистка газообразных продуктов сгорания, в частности для осаждения СО_2, требует при таком уровне температуры давления почти 2 бар. Для переработки топлива, в частности для сушки бурого угля, требуется давление от 3 бар до 5 бар.

При выполнении потребителя в качестве очистителя газообразных продуктов отработавший газ, называемый также дымовым газом, направляется, например, из топочного устройства парового котла посредством соответствующей рабочей среды, причем отделяемые газовые компоненты переходят в осадок. Оставшийся газ направляется через очиститель газообразных продуктов в отводимый воздух. Находящиеся в растворе газовые компоненты термически вытягиваются из рабочей среды и подводятся, например, к месту накопления или постоянно улавливаются в другом месте. Для термического удаления растворенных газовых компонентов необходим технологический пар. В частности, очиститель газообразных продуктов рассчитан для осаждения СО₂ из дымового газа. Осажденный СО₂ подводится в захоронение, например, в подземные хранилища.

Для осаждения из дымового газа СО₂ и других кислых газовых компонентов прибегают, например, к помощи так называемой аминной очистки, причем дымовой газ направляется через водный раствор амина. В нем кислые компоненты, в частности СО₂, переходят в раствор. Остальные компоненты направляются в отработанный воздух. Вслед за этим раствор нагревают с помощью технологического пара до 100°C - 150°C, вследствие чего СО₂ снова выходит из раствора. Остальные газы остаются в данном случае в растворе. Вслед за этим СО₂ можно уплотнять, а затем откачивать, например, в хранилища в земле.

Очиститель газообразных продуктов рассчитан, в частности, для отбора необходимого для удаления СО₂ из подведенного технологического пара тепла, отдающего его в данном случае при конденсации. Конденсат пара отводится назад в паровой контур.

Большие издержки для осаждения СО₂ из отработавших газов электростанции, в частности паротурбинной электростанции, в которых большие массы пара отбирают при уменьшении коэффициента полезного действия, необходимы, если рассматривать значимые для окружающей среды суммарные эффекты. Оборудованная таким образом паротурбинная электростанция удовлетворяет по сравнению с обычными установками предписанным в отношении нее и становящимся все более строгими нормам выброса вредных веществ.

При выполнении потребителя в виде очистителя газообразных продуктов паротурбинная электростанция содержит газоотводный трубопровод, впадающий в потребителя. Дымовой газ подводится потребителю по такому газоотводному трубопроводу, например, непосредственно из топки парового котла или в качестве отработавшего газа газовой турбины из парового котла-утилизатора.

В другом выполнении потребитель больших масс пара выполнен в качестве устройства переработки топлива. При этом прибегают к использованию, например, тепла технологического пара для остаточной просушки бурого угля.

Расширительное устройство может быть выполнено, в частности, отдельно от парциальных турбин. В этом случае имеется возможность дооборудования существующей паровой турбины или паротурбинной электростанции. Однако предпочтительно, если расширительное устройство является интегрированным составным элементом турбоагрегата паротурбинной электростанции. В частности, это решение напрашивается при разработке новой концепции паротурбинной электростанции, так как, в целом, требуется меньшее пространство, и такая компоновка в данном случае может положительно сказываться на общем коэффициенте полезного действия. Однако и отдельное решение также имеет большое преимущество в том, что последующие за отбором пара элементы установки могут рассчитываться в экономическом плане более целесообразно. Поскольку для названных потребителей отбирают значительную долю пара, следующие за местом отбора трубопроводы, в частности, для перепускного трубопровода между парциальной турбиной среднего давления и парциальной турбиной низкого давления, можно рассчитывать с более незначительным, чем обычно, поперечным сечением, вследствие чего возникают значительные преимущества в издержках производства. Так же следующие за местом отбора поверхности нагрева могут быть рассчитаны меньше, чем в обычной конструкции, что опять же связано с преимуществами в издержках производства.

Предпочтительно, если расширительное устройство выполнено в виде турбодетандера. Такое выполнение позволяет легко использовать еще имеющийся избыток свободной энергии для выполнения работы для совокупной системы. Расширение отобранного пара приводит в движение, в частности, вал, который может быть соединен с генератором.

Турбодетандер предпочтительно используют в работе с противодействием. Окончание расширения после турбодетандера соответствует тогда необходимому давлению технологического пара. Это позволяет совершенным способом поставлять потребителю необходимый уровень давления и уровень температуры.

Если турбодетандер выполнен в предпочтительном выполнении не как отдельная турбина, а расположен на общем валу с парциальными турбинами, то полученная работа непосредственно выполняется в совокупной системе.

Выполнение расширительного устройства в виде турбодетандера имеет далее большое преимущество в том, что уровень давления можно совершенно регулировать для потребителя при регулировке турбины, и, в частности, в широких пределах, независимо от уровня давления поступающего пара. В частности, можно также легко компенсировать колебания давления поступающего пара посредством соответствующей регулировки турбины.

Целесообразно, если турбодетандер имеет другие отборы. Например, от него могут питаться, например, один или несколько регенеративных подогревателей питательной воды.

Предпочтительно содержатся парциальная турбина высокого давления и парциальная турбина среднего давления, соединенные друг с другом через перепускной трубопровод с промежуточным пароперегревателем, причем линия отбора парциальной турбины высокого давления присоединена, в частности, через перепускной трубопровод. При этом отобранный пар расширяется после парциальной турбины высокого давления в отдельном участке расширения вплоть до соответствующего уровня давления подключенного потребителя. Перед отбором технологический пар не направляется через промежуточный пароперегреватель. Другие элементы установок рассчитаны экономически более целесообразно в соответствии с уменьшенной массой пара.

В другом предпочтительном выполнении содержатся парциальная турбина высокого давления, первая парциальная турбина среднего давления, вторая парциальная турбина среднего давления, а также при необходимости одна или несколько парциальных турбин низкого давления, причем первая парциальная турбина среднего давления и вторая парциальная турбина среднего давления соединены друг с другом через перепускной трубопровод со вторым промежуточным пароперегревателем, и, причем линия отбора первой парциальной турбины среднего давления присоединена, в частности, через перепускной трубопровод. При этом, например, необходимую для осаждения массу пара можно отбирать после первой парциальной турбины среднего давления и расширять, в частности, в турбодетандере вплоть до желаемого уровня давления.

Предпочтительно содержится паровой котел, соединенный со стороны отработавшего газа через газоотводный трубопровод с потребителем. Паровой котел поставляет отработавшие газы из топки, которые подводятся в устройство для осаждения СО₂. Соединение между паровым котлом и потребителем предоставляет возможность очищать отработавший газ перед выбросом в атмосферу от СО₂. Такая обработка отработавшего газа дает возможность выполнять паротурбинную электростанцию наиболее соответствующей экологическим требованиям и делать ее энергоэффективной.

В другом выполнении отработавший газ газовой турбины подводят для нагревания пара в паровой котел-утилизатор, а оттуда направляют к потребителю.

Далее приводится более подробное описание примеров выполнения изобретения посредством чертежей.

На них показаны:

Фиг.1. Схематичный вид паротурбинной электростанции с некоторым количеством парциальных турбин и линией отбора после ступени расширения высокого давления (HD), причем отобранный пар расширяют в отдельном турбодетандере.

Фиг.2. Схематичный вид паротурбинной электростанции с некоторым количеством парциальных турбин и линией отбора после ступени расширения высокого давления (HD), причем отобранный пар расширяют в интегрированном в турбоагрегате турбодетандере.

Фиг.3. Схематичный вид паротурбинной электростанции с некоторым количеством парциальных турбин и линией отбора после первой ступени расширения среднего давления (MD), причем отобранный пар расширяют в отдельном турбодетандере.

Фиг.4. Схематичный вид паротурбинной электростанции с некоторым количеством парциальных турбин и линией отбора после первой ступени расширения среднего давления (MD), причем отобранный пар расширяют в интегрированном в турбоагрегате, двухпоточном турбодетандере.

При этом одинаковые компоненты на фигурах содержат соответственно одинаковые ссылочные обозначения.

На фиг.1 показана паротурбинная электростанция 1 с некоторым количеством парциальных турбин, рассчитанных для разного давления. Парциальные турбины расположены друг за другом на общем валу 5.

Для эксплуатации в паровом котле 7 нагревают воду и при помощи пароперегревателя 9 свежего пара производят пар. Перегретый пар подают в качестве рабочего пара по разводке трубопроводов в парциальную турбину 13 высокого давления, где пар расширяется. После расширения в парциальной турбине 13 высокого давления часть пара направляют по первому перепускному трубопроводу 14 в промежуточный пароперегреватель 15, где его снова нагревают и направляют затем в двухпоточную парциальную турбину 17 среднего давления. В турбине 17 пар снова расширяют до заданного, теперь более низкого уровня давления.

Вслед за этим пар, расширенный до более низкого уровня давления в парциальной турбине 17 среднего давления, направляют через подключенный второй перепускной трубопровод 21 в также двухтопочную парциальную турбину 25 низкого давления.

Генератор 29 приводится в движение для производства электроэнергии посредством общего вала 5. Выходящий из парциальной турбины 25 низкого давления расширенный и охлажденный пар поступает в конденсатор 31, где он конденсируется при передаче тепла во внешнюю среду и собирается в виде воды. Через конденсатный насос 33 и подогреватель 35 воду промежуточно накапливают в баке 37 для питательной воды, а затем снова подводят через насос 39 для подачи питательной воды в паровой котел 7.

После ступени расширения к парциальной турбине 13 высокого давления, после ее ступени расширения, перед промежуточным пароперегревателем 15 гидравлически подключена линия 41 отбора. Через эту линию 41 отбора после расширения в парциальной турбине 13 высокого давления из системы отбирают пар, необходимый для потребителя 49.

Линия 41 отбора впадает в расширительное устройство 43, соединенное вследствие этого с парциальной турбиной 13 высокого давления. Расширительное устройство 43 выполнено в виде отдельного турбодетандера 44, к которому подключен второй генератор 45. Внутри турбодетандера 44 отобранный пар идеально расширяется при производстве работы для совокупной системы до требуемого для потребителя 49 уровня (давления, температуры). Вместо генератора может быть расположен или подключен также подходящий потребитель для механической энергии.

От турбодетандера 44 расширенный технологический пар непосредственно передается дальше через трубопровод 47 технологического пара к потребителю 49. Он выполнен, например, в виде устройства переработки топлива или устройства очистки газообразных продуктов. Отдельный турбодетандер 44 используют в работе с противодействием. Окончание расширения по возможности соответствует в этом случае непосредственно необходимому давлению технологического пара, поэтому турбодетандер 44 поставляет идеально необходимый уровень давления и уровень температуры для подключенного потребителя 49.

На фиг.2 показано другое выполнение паротурбинной электростанции 61 с некоторым количеством парциальных турбин.

Так же как и на фиг.1, турбоагрегат приводится в действие посредством перегретого пара из парового котла 7. Пар поступает из парового котла 7 в пароперегреватель 9 свежего пара, а затем через разводку трубопроводов - в парциальную турбину 13 высокого давления.

В отличие от фиг.1 расширительное устройство 43 паротурбинной электростанции на чертеже расположено не отдельно от турбоагрегата, а относится к общему валу 5, как соответствующим образом выполненный турбодетандер 64. Отобранный через отбор A из первого перепускного трубопровода 14 пар подводится к турбодетандеру 64 и расширяется, производя работу для совокупной системы, до необходимого уровня для потребителя 49, подключенного со стороны выхода через трубопровод 47 технологического пара.

Потребитель 49 выполнен в данном случае как очиститель газообразных продуктов для осаждения СО₂ из отработавших газов топки 65 парового котла 7. Соответствующим образом газоотводный трубопровод 51 впадает из топки 65 в потребитель 49. Возникающий СО₂ удаляется из отработавших газов, как уже описано ранее, и складируется.

На фиг.3 показано третье выполнение паротурбинной электростанции 71. Паротурбинная электростанция 71 выполнена так же как на фиг.1 и фиг.2 в виде паротурбинной электростанции с некоторым количеством парциальных турбин. Эксплуатацию паротурбинной электростанции 71 можно заимствовать из соответствующих предыдущих выполнений.

Так же как и на фиг.1 расширительное устройство 43 выполнено в паротурбинной электростанции 71 в виде отдельного турбодетандера 44. Однако в отличие от фиг.1 турбодетандер 44 подключен через линию 41 отбора после ступени расширения к первой парциальной турбине 17 среднего давления.

Рабочий пар направляется после расширения в парциальной турбине 13 высокого давления через первый перепускной трубопровод 14 и через первый промежуточный пароперегреватель 15 в первую парциальную турбину 17 среднего давления и расширяется в ней. Через третий перепускной трубопровод 73 расширенный пар направляется после первой парциальной турбины 17 среднего давления 17 через второй промежуточный пароперегреватель 75 и отводится оттуда во вторую парциальную турбину 19 среднего давления. Пар, расширенный во второй парциальной турбине 19 среднего давления, направляется через второй перепускной трубопровод 21 в двухтопочную парциальную турбину 25 низкого давления. От нее пар обрабатывается в дальнейшем аналогично описанным согласно фиг.1 и фиг.2 процессам.

Согласно фиг.3 предусмотрен подвод отработавших газов газовой турбины 53 для производства пара в котел 7. Оттуда отработавшие газы поступают через газоотводный трубопровод 51 к потребителю 49, опять же выполненный в данном случае как очиститель газообразных продуктов.

Паротурбинная электростанция 81 согласно фиг.4 содержит однотопочную парциальную турбину 20 среднего давления, от которой выходящий, расширенный пар подводится через третий перепускной трубопровод 73, через второй промежуточный пароперегреватель 75 - в турбодетандер 44, интегрированный в турбоагрегат.

Относящийся к общему валу 5 турбодетандер 44 выполнен согласно фиг.4 в виде асимметричной парциальной турбины, имеющей первый участок 77 расширения и второй участок 78 расширения. Второй участок 78 расширения рассчитан в качестве турбины среднего давления. После расширения пар через перепускной трубопровод 21 поступает в двухтопочную парциальную турбину 25 низкого давления. Первый участок 77 расширения соединен со стороны входа через линию 41 отбора с третьим перепускным трубопроводом 73. Из него пар отбирают для потребителя 49. Первый участок 77 расширения расширяет отбираемый при производстве работы для совокупной системы пар до необходимого для потребителя 49 уровня. Расширенный пар подводят через трубопровод 47 технологического пара потребителю 49. Асимметричный турбодетандер 44 согласно фиг.4 также можно использовать отдельно от турбоагрегата в качестве отдельного расширительного устройства.