Результат интеллектуальной деятельности: ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА ГАЗОПАРОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И СПОСОБ ЕЕ ПРОМЫВКИ

Изобретение относится к топливной системе для утилизации синтез-газа газопаротурбинной установки с устройством для газификации природного топлива, а также к способу промывки указанной топливной системы такой установки.

Назначением топливной системы для утилизации синтез-газа является подготовка полученного при газификации топлива (например, угля), а затем очищенного синтез-газа к сгоранию в газовой турбине (в соответствии с требованиями к газовым турбинам). Для правильного запуска системы в работу и надлежащего проведения ремонта при выходе ее из строя/аварии систему необходимо инертизировать.

В известных IGCC-установках (IGCC = комбинированный цикл с интегрированной газификацией, т.е. газопаротурбинные установки с интегрированной газификацией) инертизация реализуется с помощью промывочной среды - пара. Правда, при длительных периодах простоя это может привести к так называемой коррозии покоя, вызываемой конденсацией пара внутри трубопроводов топливной системы в совокупности с соединениями серы (в диапазоне ppm = частей на миллион частей), которые не были удалены из потока синтез-газа в установке для десульфурации (обессеривания).

Поэтому для устранения этой проблемы ниже (в противоположном потоку направлении) газовой турбины была предусмотрена система промывки азотом N₂, в частности чистым азотом, в качестве инертизирующего средства, которым топливная система промывалась, начиная с газового затвора, в направлении газовой турбины. Газовый затвор включает две арматуры, например шаровые краны. Обе эти арматуры соединяются друг с другом промежуточной системой сброса давления или напорным трубопроводом. Промежуточная система сброса давления может быть подключена к факельной системе, в которой в факелах могут сжигаться излишки газа. Альтернативой промежуточной системе сброса давления может служить напорный трубопровод, предназначенный для предотвращения проникания газа через арматуры газового затвора. В целях выполнения соответствующих предписаний техники безопасности газовый затвор герметично разделяет топливную систему на первую зону (система газификации) в направлении от газового затвора и вторую зону (топливная система газовой турбины) по направлению к газовому затвору.

В противоположность пару, который в совокупности с серой и конденсацией может привести к коррозии, азот не создает опасности коррозии. Азот, образующийся в воздухоразделительной установке, является высокочистым азотом и, следовательно, может использоваться для инертизации топливной системы. Эта идея уже запатентована (патент DE 10002084 С2).

При этом передняя зона топливной системы (т.е. в направлении от газового затвора и системы насыщения) не инертизируется. Если возникает необходимость инертизации этой зоны, то система газификатора инертизируется высокочистым азотом при обычном отключении и простое, а сама зона удерживается под давлением. Правда, при выходе системы газификатора из строя такой способ инертизации невозможен.

Таким образом, задачей изобретения является создание такой топливной системы газопаротурбинной установки вышеназванного типа, благодаря которой промывка топливной системы может осуществляться особенно надежным образом. Кроме того, предлагается способ, который надежным и упрощенным образом обеспечивает промывку топливной системы газопаротурбинной установки.

Согласно изобретению эта задача решается с помощью топливной системы согласно независимому пункту 1 и способа согласно независимому пункту 17 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрываются в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Для решения указанной задачи предлагается топливная система газопаротурбинной установки с интегрированной газификацией угля, включающей газовую турбину, причем топливная система подключена к камере сгорания газовой турбины и содержит устройство для газификации природного топлива и газопровод, ответвляющийся от устройства для газификации и входящий в камеру сгорания газовой турбины, причем в направлении, противоположном потоку камеры сгорания, в газопровод встроена система насыщения топлива паром, при этом имеется промывочный трубопровод, встроенный в газопровод между устройством для газификации и системой насыщения.

Благодаря предлагаемому решению при сбое в инертизации азотом зоны выше газификатора может активизироваться "Запасная (аварийная) промывка" расположенной по потоку зоны топливной системы, и спустя определенное время эта промывка может осуществиться. Благодаря этому может достигаться также инертизация зоны топливной системы, расположенной выше газового затвора.

Преимущество данной концепции состоит в том, что инертизация расположенной ниже в направлении, обратном ходу процесса, зоны топливной системы может гарантироваться даже при отсутствии инертизации зоны топливной системы на стороне газификатора. Благодаря этому обеспечиваются автономные процессы инертизации зон топливной системы, не зависящие от газификатора или расположенных спереди систем.

Это преимущество может реализоваться в так называемых полигенерационных установках, которые, наряду с возможной выработкой тока с помощью газовой турбины, способны продуцировать дополнительные вещества (например, SNG = синтетический природный газ или заменитель природного газа). Если в расположенной по потоку зоне топливной системы случится сбой, то полигенерационная установка, скорее всего, будет по-прежнему работать, т.е. по-прежнему будут осуществляться процессы газификации топлива и обработки газа. В этом случае отключится только та зона топливной системы, в которой топливо обычно кондиционируется, т.е. расположенные по потоку системы. Без описанной выше концепции инертизация этой части топливной системы в целях технического обслуживания и др. была бы невозможна, поскольку газификатор и устройство для обработки газа еще работают. Эта система представляется также выгодной при возможных процессах запуска в работу. Запуск в работу газификатора IGCC-электростанции может длиться несколько часов. И, наоборот, может случиться так, что на случай непродолжительных периодов технического обслуживания расположенные по потоку системы газификатора вообще не потребуется отключать. Даже в этом случае автономная инертизация в зонах топливной системы также выгодна.

Выгодным образом промывочный трубопровод соединен встык с газопроводом между устройством для газификации топлива и смесительным устройством, которое подключено к газопроводу выше в направлении, обратном потоку системы насыщения для подачи азота к синтез-газу.

Выгодно также, если установка для десульфурации (обессеривания) встроена в газопровод в том месте, которое расположено выше (в направлении, обратном ходу процесса) места стыковки промывочного трубопровода с газопроводом.

Благодаря такому выбору места стыковки между установкой для десульфурации (обессеривания) и смесительным устройством достигается промывка всех компонентов, участвующих в кондиционировании топлива, без обязательного прерывания процесса очистки топлива.

Целесообразно промывочный трубопровод соединен с выходным патрубком для чистого азота воздухоразделительной установки (LZA), которая поставляет необходимый для газификации топлива кислород, а также азот в качестве сопутствующего газа. Соединение промывочного трубопровода с выходным патрубком для чистого азота LZA-установки может быть выполнено напрямую или посредством дополнительных трубопроводов, например, посредством отходящего от LZA подающего азот трубопровода, а в том случае, если, наряду с указанным промывочным трубопроводом, предусмотрены еще дополнительные промывочные трубопроводы, то посредством главного промывочного трубопровода, от которого ответвляются вышеуказанный промывочный трубопровод и дополнительные промывочные трубопроводы.

Предпочтительно, если резервуар для промежуточного хранения азота размещен между подающим азот трубопроводом и главным промывочным трубопроводом. При наличии резервуара для промежуточного хранения промывка гарантируется даже при выходе из строя системы подготовки, а также, к примеру, воздухоразделительной установки.

Предпочтительно также, если подающий азот трубопровод соединен встык с резервным трубопроводом, который на стороне входа подключен к аварийной (запасной) системе заправки азотом, в частности чистым азотом. Благодаря этому, даже при выходе из строя воздухоразделительной установки, промывка топливной системы азотом, в частности чистым азотом, обеспечивается особо надежным образом.

Предпочтительно, если на участке между устройством для насыщения и камерой сгорания в газопровод подключен газовый затвор, а один из дополнительных промывочных трубопроводов соединен встык с газопроводом между газовым затвором и камерой сгорания, в частности, сразу (по ходу процесса) после арматуры газового затвора. За счет этого и благодаря дополнительным мерам гарантируется надежная промывка топливной системы между арматурой газового затвора и камерой сгорания. Если необходимо промыть только последнюю часть газопровода, то для выполнения этого требуется очень незначительное количество промывочного средства, благодаря чему работа установки становится особенно экономичной.

Целесообразно, если дополнительный промывочный трубопровод ответвляется от главного промывочного трубопровода.

Что касается способа промывки, по меньшей мере, части топливной системы газопаротурбинной установки, то эта задача решается согласно изобретению посредством того, что топливная система промывается в направлении камеры сгорания при введении промывочного средства в газопровод между газификатором и устройством для насыщения.

Выгодно использовать в качестве промывочного средства чистый азот. Промывка азотом является экономичной, поскольку промывке подлежат небольшие объемы. Кроме того, для процесса промывки не требуется отбирать пар из паротурбинной установки, благодаря чему общий КПД газопаротурбинной установки резко повышается. В дополнение к этому, отпадает необходимость применения высоколегированных сталей, поскольку признаки коррозии могут вообще не иметь места или могут проявиться лишь в малой степени.

Целесообразным является отбор чистого азота из воздухоразделительной установки, которая и без того служит для поставки кислорода, необходимого для газификации топлива.

Предпочтительно промывочная среда подводится между подключенным к газопроводу смесительным устройством, в котором происходит подмешивание азота к топливу, и оборудованием для очистки синтез-газа, так что промывка оборудования для кондиционирования топлива может проводиться автономно от оборудования для очистки топлива. Как упоминалось выше, это представляет значительный интерес для полигенерационных установок, в которых газификатор и оборудование для обработки газа могут работать и дальше при отключении топливной системы и систем, лежащих выше нее по ходу процесса.

Изобретение раскрывается более подробно со ссылкой на фигуру, на которой схематически без соблюдения масштаба изображена часть газотурбинной установки, входящей в состав газопаротурбинной установки, в которой газовая турбина подключена к устройству для газификации.

Газопаротурбинная установка содержит газотурбинную установку, показанную на фигуре, и паротурбинную установку (не показана). Газотурбинная установка включает газовую турбину 1, соединенную с воздушным компрессором 2, и камеру сгорания 3, подключенную к газовой турбине 1, причем камера 3 сгорания подсоединена к трубопроводу 4 сжатого воздуха компрессора 2. Газовая турбина 1 и воздушный компрессор 2, а также генератор 5 смонтированы на одном общем валу 6. Для подачи рабочей среды или дымового газа после сброса давления в газовой турбине 1 в парогенератор паротурбинной установки, утилизирующий отходящее тепло, отводящий отработанные газы трубопровод 7 подключен к выходному патрубку газовой турбины 1.

Газотурбинная установка рассчитана для работы на неочищенном газе (газе-сырце) или синтез-газе (SG), образующемся в процессе газификации природного топлива (В). В качестве источника синтез-газа может служить, к примеру, газифицированный уголь или газифицированная нефть. С этой целью газотурбинная установка оборудована топливной системой 8, из которой синтез-газ поступает в камеру 3 сгорания газовой турбины 1. Топливная система 8 содержит газопровод 9, связывающий устройство 10 для газификации топлива с камерой 3 сгорания газовой турбины 1. Подача ископаемого топлива - угля, природного газа или нефти - в устройство 10 для газификации осуществляется с помощью загрузочной системы 11. Кроме того, топливная система 8 включает компоненты, которые подключены к газопроводу 9 между устройством 10 для газификации и камерой 3 сгорания газовой турбины 1.

Для обеспечения подачи кислорода (О₂), необходимого для газификации природного топлива (В), устройство 10 для газификации соединено посредством трубопровода 12 для кислорода с воздухоразделительной установкой 13, входящей в состав топливной системы 8. Воздухоразделительная установка 13 заполняется воздухом на стороне входа. Для этой цели воздухоразделительная установка 13 подключена на стороне входа к воздухозаборному трубопроводу 14, который ответвляется от трубопровода 4 сжатого воздуха в месте 15 разветвления.

Часть азота (N₂), так называемый "нечистый" азот (U-N₂), получаемого в дополнение к кислороду (О₂) в воздухоразделительной установке 13 при разделении воздушного потока, подается в смесительное устройство 17 по подающему азот трубопроводу 16, подключенному к воздухоразделительной установке 13. В смесительном устройстве 17 "нечистый" азот (U-N₂) подмешивается к синтез-газу (SG) в целях сокращения NO_x(оксид азота)-выбросов из газовой турбины. Причем смесительное устройство 17 обеспечивает особенно равномерное и однородное смешивание азота (N₂) с синтез-газом (SG).

Синтез-газ (SG), отбираемый из устройства 13 для газификации, по газопроводу 9 попадает сначала в парогенератор 18 с регенерацией теплоты синтез-газа, в котором в результате теплообмена с текучей средой происходит охлаждение синтез-газа (SG).

В направлении движения потока синтез-газа (SG) сзади парогенератора 18 с регенерацией теплоты синтез-газа и перед смесительным устройством 17 в газопровод 9 встроены пылеулавливающее устройство 19 для синтез-газа (SG), а также установка 20 для десульфурации (обессеривания). В альтернативном варианте воплощения изобретения вместо пылеулавливающего устройства 19, в частности, в случае газификации нефти в качестве топлива, может быть предусмотрено также промывочное устройство для удаления копоти.

Для обеспечения очень незначительного объема выброса вредных веществ при сжигании газифицированного топлива в камере 3 сгорания предусмотрена нагрузка газифицированного топлива водяным паром перед подачей его в камеру 3 сгорания. В теплотехническом плане особенно предпочтительно, если это происходит в системе насыщения. С этой целью система 21 насыщения, в которую газифицированное топливо подается в противотоке к нагретой воде для насыщения, подключена к газопроводу 9. При этом нагретая вода, используемая в системе 21 насыщения, циркулирует в замкнутом на систему насыщения контуре 22 насыщения, в который входит циркуляционный насос 23, а также теплообменник 24 для предварительного нагрева воды в системе насыщения. В целях возмещения потерь, имеющих место при насыщении газифицированного топлива в системе насыщения, к контуру 22 насыщения подключен подающий воду трубопровод 25.

В направлении движения потока синтез-газа (SG) сзади системы 21 насыщения в газопровод 9 во вторичном контуре встроен теплообменник 26, работающий как теплообменник для синтез-газа-смешанного газа. При этом в первичном контуре теплообменник 26 также встроен в газопровод 9 перед пылеулавливающим устройством 19, так что синтез-газ (SG), поступающий в пылеулавливающее устройство 19, передает часть своей теплоты синтез-газу (SG), выходящему из системы 21 насыщения. Причем пропускание синтез-газа (SG) через теплообменник 26 перед подачей его в установку 20 для десульфурации (обессеривания) может быть предусмотрено даже в случае изменения общей схемы подключений за счет введения в нее других компонентов. В частности, при использовании промывочного устройства для удаления копоти теплообменник может быть размещен предпочтительно на стороне синтез-газа в направлении промывочного устройства для удаления копоти.

Между системой 21 насыщения и теплообменником 26 в газопровод 9 во вторичном контуре встроен дополнительный теплообменник 27, который в первичном контуре может обогреваться питательной водой или даже паром. Благодаря наличию теплообменника 26, используемого в качестве теплообменника для синтез-газа-чистого газа, и теплообменника 27 гарантируется особенно надежный подогрев синтез-газа (SG), поступающего в камеру сгорания 3 газовой турбины 1, даже при различных рабочих состояниях газопаротурбинной установки.

При отключении топливной системы 8 требуется промывка. Согласно предшествующему уровню техники она проводится так, что в один или несколько этапов по отдельности промываются азотом первая и вторая зоны системы газификации топлива 8. При этом система газификации (первая зона) и топливная система газовой турбины (вторая зона) отделены друг от друга газовым затвором 28. Причем система газификации включает устройство 10 для газификации до газового затвора, а топливная система газовой турбины включает газовый затвор 28 и последовательно подключенные компоненты вплоть до камеры 3 сгорания газовой турбины 1.

Газовый затвор 28 размещен в газопроводе 9 после теплообменника 26. Газовый затвор 28 включает размещенную в газопроводе 9 быстродействующую арматуру 29, которая расположена сразу за выполненной в виде шарового крана арматурой 30 газового затвора. Остаточный газ при промывке после отключения устройства для газификации или при промывке системы насыщения и последовательно подключенных теплообменников отводится по отводящему трубопроводу 31 в направлении от арматуры газового затвора 29 в факельную установку. Отводящий трубопровод 31 вместе с арматурой служит в качестве системы сброса давления 32 газового затвора 28. Газопровод 9 герметично перекрывается с помощью газового затвора 28, а при необходимости - с помощью быстродействующей арматуры 29, за очень короткий промежуток времени.

Газовый затвор 28 подключен сразу после встроенной в газопровод 9 регулирующей арматуры 33, с помощью которой регулируется поток топлива к газовой турбине во всех последних случаях.

Для промывки азотом (N₂) системы газификации или первой зоны топливной системы, т.е. от устройства 10 для газификации до газового затвора 28, предусмотрен чистый азот (R-N₂) из воздухоразделительной установки 13. С этой целью азот (N₂) в виде чистого азота (R-N₂), полученного, в дополнение к кислороду (О₂), в воздухоразделительной установке 13 при разделении воздушного потока (L), отводится из воздухоразделительной установки 13 по подающему трубопроводу 34. От подающего трубопровода 34 ответвляется перекрываемый вентилем 35 трубопровод 36, который для промывки первой зоны топливной системы 8 подсоединяется к устройству 10 для газификации природного топлива (В).

Известно, что для промывки второй зоны или топливной системы 8 газовой турбины азотом (N₂) равным образом предусматривается применение чистого азота (R-N₂) в качестве промывочной среды. С этой целью подающий трубопровод 34 соединен с резервуаром 37 для хранения азота. В подающий трубопровод 34 дополнительно врезан перекрываемый вентилем 38 резервный трубопровод 39, который на стороне входа подключен к аварийной (запасной) системе 40 заправки чистым азотом (R-N₂). Благодаря тому, что резервуар 37 для хранения азота соединен как с воздухоразделительной установкой 13, так и с аварийной (запасной) системой 40 заправки, он может наполняться как чистым азотом (R-N₂) из воздухоразделительной установки 13, так и чистым азотом (R-N₂) из аварийной (запасной) системы 40 заправки. В результате этого даже при сбое в работе воздухоразделительной установки 13 гарантируется промывка системы 8 газификации особенно надежным образом. Причем резервуар 37 для хранения азота имеет такие размеры, которые позволяют ему обеспечивать потребности процесса промывки в чистом азоте (R-N₂), включая достаточно высокие резервные мощности. Резервуар 37 для хранения азота на стороне выхода подключен через главный промывочный трубопровод 41 и дополнительный промывочный трубопровод 44 к газопроводу 9. Дополнительный промывочный трубопровод 44 врезан в газопровод 9 ниже по направлению движения потока синтез-газа (SG) сразу после газового затвора 28, а также после арматуры 30 газового затвора.

При каждом переводе газовой турбины 1 с синтез-газа (SG) на второе горючее, что соответствует изменению подводимого в камеру 3 сгорания горючего газа, предусмотрена промывка азотом топливной системы 8 газовой турбины. В процессе промывки синтез-газ (SG), находящийся в топливной системе газовой турбины, почти полностью вытесняется из соображений техники безопасности.

Для промывки чистым азотом (R-N₂) первой зоны топливной системы 8 или системы газификации чистый азот (R-N₂) поступает по подающему трубопроводу 34 и ответвленному трубопроводу 36 в устройство 10 для газификации. При этом обычно предусматривается промывка зоны между устройством 10 для газификации и газовым затвором 28 по направлению потока с использованием достаточно больших количеств чистого азота (R-N₂) в качестве промывочной среды и в течение длительного периода времени с тем, чтобы гарантировать вытеснение синтез-газа (SG) из указанной зоны топливной системы 8. Отработавший газ в процессе промывки отводится из топливной системы 8 по отводящему трубопроводу 31 в направлении от газового затвора 28.

Топливная система между газовым затвором 28 и камерой 3 сгорания газовой турбины 1 промывается чистым азотом (R-N₂) по направлению потока. Необходимый для этого чистый азот (R-N₂), полученный в воздухоразделительной установке 13, подается в газопровод 9 по подающему трубопроводу 41 и дополнительному промывочному трубопроводу 44. Из-за незначительного объема этой системы промывки чистым азотом (R-N₂) по направлению потока вполне достаточно.

Если газификатор и система обработки газа (еще) работают, например, поскольку под установкой имеется в виду полигенерационная установка, или газификатор только запускается в работу, что может продолжаться несколько часов, или газификатор не может быть отключен на кратковременные периоды технического обслуживания систем, лежащих ниже по потоку, то возможность промывки выше газификатора исключается.

Согласно изобретению в этих случаях активизируется и спустя определенный промежуток времени осуществляется "Запасная (аварийная) промывка" топливной системы, расположенной ниже газификатора по ходу потока, благодаря чему достигается также инертизация топливной системы выше газового затвора.

Для этой цели чистый азот подается по главному промывочному трубопроводу 41 и перекрываемому вентилем 43 промывочному трубопроводу 42 в газопровод 9 между смесительным устройством 17 и установкой для десульфурации (обессеривания) 20. Промывка нечистым азотом, поступающим по трубопроводу 16 для такого азота прямо в смесительное устройство 17, не выполняет указанную цель из-за слишком высокой доли кислорода в нечистом азоте. Даже подача чистого азота из воздухоразделительной установки 10 прямо в трубопровод 16 для нечистого азота является бессмысленной, поскольку неэкономична. Подобные варианты воплощения были бы трудоемкими и потребовали бы больше чистого азота, так как общий подающий азот трубопровод 16 должен был бы промываться только один раз.