Спосіб виробництва пари в котлі-утилізаторі в складі енергетичної установки

Винахід стосується галузі енергомашинобудування, а також може бути використаний в різних виробничих процесах, котрі пов'язані з викидами в навколишнє середовище низько потенційного (вторинного) тепла. В якості аналога прийнято спосіб виробництва пари в котлі-утилізаторі двох тисків за рахунок утилізованої теплоти енергетичної установки, який включає процеси стиснення, нагрівання, випарування води і перегріву пари низького тиску і подачу її в камеру згоряння газотурбінного двигуна, і процеси стиснення, нагрівання, випаровування води і перегріву отриманої пари високого тиску і подачу його в парову турбіну [див. патент Російської Федерації №22508, Бюл. №10 від 10.04.2002p.]. Недоліком такого способу виробництва пари в котлі-утилізаторі двох тисків заключається в тому, що він не забезпечує глибокої утилізації теплоти відпрацьованих газів. Температура відпрацьованих газів на виході котла-утилізатора залишається достатньо високою і сягає 130-135°С. Крім того, такий спосіб потребує для своєї реалізації ускладненої теплової схеми і конструкції котла-утилізатора, що суттєво погіршує його масогабаритні характеристики і збільшує витрати на експлуатацію. За прототип прийнято спосіб виробництва пари в котлі-утилізаторі одного тиску за рахунок утилізованої теплоти газотурбінної установки, який включає процеси стиснення і нагрівання води до температури насичення в економайзері, випарування її в випаровувачі, сепарацію пари із пароводяної суміші в барабанісепараторі і перегрів отриманої насиченої пари в пароперегрівачі [див. Н.А. Дикий. Судовые газопаротурбинные установки. - Л. из-во "Судостроение", 1978.·- 6-13]. Недоліком такого способу є в тому, що він не забезпечує глибокої утилізації теплоти відпрацьованих газів. Їхня температура на виході із котла-утилізатора сягає 150-165°С, що суттєво знижує термодинамічну ефективність енергетичної установки. У винаході вирішується задача створення способу виробництва пари в котлі-утилізаторі в складі енергетичної установки, який забезпечує глибоку утилізацію теплоти відпрацьованих газів за рахунок зниження їхньої температури на виході із котла утилізатора до величини, котра не перевищує температуру поступаючої в економайзер води на DΤ=10-20°С. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виробництва пари в котлі-утилізаторі у складі енергетичної установки, що складається, із газотурбінного двигуна, парової турбіни і конденсатора, який включає процеси стиснення і нагрівання води до температури насичення, її випаровування і перегріву отриманої насиченої пари з наступною її подачею на вхід парової турбіни, відповідно до винаходу витрату води в економайзері котла-утилізатора призначають із умови дорівнювання її водяного еквівалента водяному еквіваленту відпрацьованих газів, які охолоджуються в котлі-утилізаторі, а отриману в економайзері насичену воду перед випаровуванням розподіляють на два потоки, один з яких повністю випаровують, а отриману пару перегрівають, при цьому його витрату призначають виходячи з умови повного використання утилізованої теплоти відпрацьованих газів за вилученням її частки витраченої в економайзері на нагрів води до температури насичення, а другий потік випаровують частково шляхом розширення в послідовно розташованих розширювачах, а отриману при цьому пару після кожного розширювача перегрівають теплом води, яка спрямовується в розширювач, і направляють в проміжні ступені парової турбіни. Нова сукупність істотних ознак відсутня у відомих технічних рішеннях і дозволяє досягнути граничного рівня утилізації теплоти, відпрацьованих газів, який обмежується лише температурою води, яка надходить в економайзер і не перевищує 45-60°С для сучасних бінарних газопаротурбінних установок. При цьому вся утилізована теплота використовується для отримання пари, котра реалізується в циклі енергоустановки в якості додаткового робочого тіла. Завдяки цьому суттєво підвищується її термодинамічна ефективність, тобто зростає її питома потужність і коефіцієнт корисної дії. Важливим досягненням запропонованого способу є також те, що він реалізується в котлі-утилізаторі одного тиску, що суттєво спрощує енергоустановку, зменшує капітальні витрати і здешевлює її експлуатацію. На Фіг. зображена теплова схема котла-утилізатора в складі енергетичної установки. Котел-утилізатор 1 включає економайзер 2, підключений через насос 3 і деаератор 4 до конденсатора 5, випаровувавч 6 і пароперегрівач 7, котрий своїм виходом підключений до входу парової турбіни 8, а входом - до барабана-сепаратора 9, котрий по воді підключений до входу випаровувача 6 і виходу економайзера 2, а по парі підключенний до виходу випаровувача 6 і входу пароперегрівача 7. Крім того, барабан-сепаратор 9 по воді підключений до першої групи в яку входять послідовно розташовані перегрівач насиченої пари 10 і розширювач води 11, котрий по насиченій парі підключений через перегрівач 10 до проміжної ступіні з відповідним тиском парової турбіни 8, а по насиченій воді до другої групи послідовно розташованих перегрівача насиченої пари 12 і розширювача води 13, а останній, в свою чергу, по насиченій парі підключений через перегрівач 12 до іншої проміжної ступіні з відповідним тиском парової турбіни 8, а по насиченій воді до третьої групи послідовно розташованих перегрівача насиченної пари 14 і розширювача води 15 і так далі. Котел-утилізатор 1 своїм входом по відпрацьованих газах підключений до виходу газової турбіни 16 газотурбінного двигуна 17, а своїм виходом сполучений з атмосферою. Парова турбіна 8 своїм виходом підключена до входу конденсатора 5. Спосіб виробництва пари в котлі-утилізаторі в складі енергетичної установки здійснюється наступним чином. Живлячу воду із конденсатора 5 через деаератор 4 забирають насосом 3, стискують і подають в економайзер 2 котла-утилізатора 1, де її нагрівають за рахунок теплоти відпрацьованих газів до температури насичення. При цьому витрату води, що подається в економайзер, призначають із умови дорівнювання її водяного еквівалента Wж водяному еквіваленту відпрацьованих газів Wr, які охолоджуються в котлі-утилізаторі, тобто: Wж=Wr де Wж=СGж; Wr=CprGr; С і Gж - відповідно теплоємність і витрата води; Срr і Gr - відповідно ізобарна теплоємність і витрата відпрацьованих газів. Отриману в економайзері 2 насичену воду спрямовують в барабан-сепаратор 9 і поділяють на два потоки: один з них повністю випаровують в випаровувачі 6, а отриману пару перегрівають в пароперегрівачі 7 і спрямовують на вхід парової турбіни 8. При цьому його витрату встановлюють виходячи з умови повного використання утилізованої теплоти відпрацьованих газів за вилученням її частки витраченої в економайзері 2 на нагрівання води до температури насичення. А другий потік спрямовують через перегрівач насиченої пари 10 в розширювач 11 і частково розширюють, а отриману при цьому пару після перегріву в перегрівачеві 10 спрямовують в проміжну ступінь з відповідним тиском парової турбіни 8, а воду, що залишилась в розширювачі 11, спрямовують до другої групи послідовно розташованих перегрівача насиченої пари 12 і розширювача води 13, а отриману в останньому насичену пару через перегрівач 12 спрямовують в іншу проміжну ступінь з відповідним тиском парової турбіни 8. Не випаровувану в розширювачі 13 воду спрямовують через підогрівач 14 в розширювач води 15 і так далі поки не використають всі підогрівачі насиченої пари і розширювачі води. Кількість груп підогрівачів та розширювачів визначається техніко-економічним розрахунком. Запропонований спосіб виробництва пари в котлі-утилізаторі у складі енергетичної установки пройшов аналітичне та експериментальне дослідження, котрі дозволили з'ясувати наступне: - реалізація процесу утилізації тепла при однакових водяних еквівалентах гріючих відпрацьованих газів і нагріваємої води дозволяє отримати мінімальну різницю в температурах (10-20°С) відпрацьованих газів на виході із котла-утилізатора і доступаючої в економайзер води, що дозволяє поглибити утилізацію тепла до граничного значення; - розподіл насиченої води перед її випаровуваннями на два потоки, один із яких використовують для отримання пари по традиційному методу випаровування і перегрів пари за рахунок теплоти відпрацьованих газів, а другий - для виготовлення пари за рахунок внутрішньої теплоти насиченої води при її розширенні з послідуючим її використанням в циклі енергоустановки для отримання роботи збільшує потужність парової турбіни на 24-27%; - обидва наведені процеси, які реалізуються запропонованим способом виробництва пари в котліутилізаторі забезпечують суттєве збільшення перетворення теплоти палива в механічну енергію при одночасному значному скороченні капітальних витрат, що значно покращує техніко-економічні показники порівняно з аналогом і прототипом, а також з другим бінарними газопаротурбінними установками.