Газопаротурбінна установка

Газопаротурбінна установка, що містить газопаротурбінний двигун з регулятором його потужності, що складається з послідовно розташованих компресора, камери згоряння, турбіни, зв'язаної валом з перетворювачем механічної енергії в електричну, теплообмінники теплопостачання і гарячого водопостачання та охолоджувач конденсату, при цьому газотурбінний двигун по відпрацьованих газах підключений до послідовно розташованих котла-утилізатора з економайзером, випарником і перегрівником пари, що своїм виходом по парі підключений до камери згоряння, і конденсатора, вихід якого через декарбонізатор і систему очищення води підключений до бака чистої води, вихід якого через розподільник, конденсатний насос і охолоджувач конденсату підключений до розпилювача конденсатора і одночасно через розподільник і регенеративний підігрівник U 2 (11) 1 3 Недолік описаної газопаротурбінної установки полягає в тому, що нею не передбачені засоби для виробництва теплової енергії для потреб теплопостачання і гарячого водопостачання. В якості прототипу прийнята газопаротурбінна установка, що включає газопаротурбінний двигун, що складається з послідовно розташованих компресора, камери згоряння, турбіни, зв'язаної валом з перетворювачем механічної енергії в електричну, теплообмінників теплопостачання і гарячого водопостачання та охолоджувач конденсату, при цьому газопаротурбінний двигун забезпечений регулятором витрати палива, його вихід по відпрацьованих газах підключено до послідовно розташованих котла-утилізатора, що своїм виходом по парі підключений до камери згоряння, теплообмінника підігріву конденсату, підключеного своїм виходом до виходів теплообмінників теплопостачання і гарячого водопостачання, а входом до входу теплообмінника теплопостачання та конденсатора, вихід якого підключений через деаератор до входу котла-утилізатора й безпосередньо - до входу вузла охолодження конденсату і забезпечена вузлом відбору водяної пари, вхід і вихід якого підключені відповідно до виходу по парі котла-утилізатора та входу теплообмінника опалення, через регулятор, що пов'язаний каналом командного імпульсу з вимірником потужності електрогенератора, [див., патент України 64811 С2 7F01K21/04, F02C6/18]. Недолік описаної газопаротурбінної установки полягає в тім, що величина виробленої теплової енергії в теплообміннику підігріву конденсату мала (становить всього близько 18% від сумарного виробництва енергії). Одночасно при цьому, через низький паровміст відпрацювавших газів, особливо при низькій температурі навколишнього середовища, температура води на виході з конденсатора значно нижче необхідної для систем гарячого водопостачання і опалення, і в умовах роботи газопаротурбінної установки вона може бути підвищена тільки за рахунок догріву її насиченою водою та відбираємою парою. Але в зв'язку з незначними питомими їх витратами вдається підігріти до заданої температури тільки незначну частку води на виході з конденсатора. В зв'язку з цим ККД використання теплоти палива енергоустановки не перевищує 60-62%. Ще один недолік прототипу полягає в тому, що в ньому відсутні агрегати, які б в неопалюваний період року дозволили використовувати утилізовану теплоту для виробництва механічної енергії, що знижує її ефективність та істотно збільшує строки окупності енергоустановки. У корисної моделі вирішується задача створення газопаротурбінної установки для спільного виробництва електроенергії для потреб електричних споживачів і теплової енергії для потреб гарячого водопостачання та опалення шляхом включення до її складу схемних рішень, які б дозволили: - поглибити утилізацію тепла відпрацювавших газів; - підвищити паровміст відпрацювавших газів; 27810 4 використати утилізовану теплоту відпрацювавших газів в неопалюваний період року для виробництва механічної енергії. Поставлене завдання вирішується тим, що газопаротурбінна установка, що містить газопаротурбінний двигун з регулятором його потужності, складається з послідовно розташованих компресора, камери згоряння, турбіни, зв'язаної валом з перетворювачем механічної енергії в електричну, теплообмінники теплопостачання і гарячого водопостачання та охолоджувач конденсату, при цьому газопаротурбінний двигун по відпрацювавших газах підключений до послідовно розташованих котла-утилізатора з економайзером, випаровувачем і перегрівником пари, що своїм виходом по парі підключений до камери згоряння, і конденсатора, вихід якого через декарбонізатор і систему очищення води підключений до бака чистої води, вихід якого через розподільник, конденсатний насос і охолоджувач конденсату підключений до розпилювача конденсатора і одночасно через розподільник і регенеративний підігрівник деаератора, деаератор та циркуляційний насос підключений до входу економайзера котла-утилізатора, а деаератор додатково підключений до парової порожнини барабана-сепаратора, відповідно до корисної моделі барабан-сепаратор котла-утилізатора по насиченій воді додатково підключений через регулювальний клапан до входу першого із групи розширювачів, якими забезпечена газопаротурбінна установка і паралельно - до теплообмінника теплопостачання, при цьому вихід по насиченій воді першого розширювача підключений до входу другого розширювача і так далі, а вихід останнього розширювача підключений до входу теплообмінника теплопостачання і одночасно по насиченій парі, що утворилася при розширенні насиченої води, кожний із розширювачів підключений до проточної частини компресора відповідно за ступенями, де тиск повітря трохи нижчий подаваної туди пари, а вихід конденсатора по воді додатково підключений одночасно до виходів теплообмінників гарячого водопостачання і теплопостачання, а їхні виходи підключені до входу конденсатного насосу, а бак чистої води через розподільний, регулювальний клапан і насос високого тиску додатково підключений до зволожувача повітря, встановленому в шахті забору повітря газопаротурбінного двигуна, а до регулятора витрати палива газотурбінного двигуна додатково включають коректор витрати палива, що вступає в роботу при температурі навколишнього середовища +8°С і нижче. Пропонована газопаротурбінна установка складається з нової сукупності суттєвих ознак і при використанні надає такі нові можливості: - за рахунок підвищення температурного потенціалу теплоти конденсату, отриманого в конденсаторі, в декілька разів збільшити виробництво теплової енергії при збереженні електричної потужності; - забезпечити нарощування виробництва 5 теплової енергії пропорційно зниженню температури навколишнього середовища за рахунок використання насиченої води і пари; - забезпечити постійне значення, що дорівнює розрахунковій величині, електричної потужності і температури газопарової суміші перед турбіною незалежно від зниження температури навколишнього середовища за рахунок коректора витрати палива; забезпечити повне використання утилізованої теплоти відпрацювавших газів в неопалюваний період на виробництво електричної енергії. Всі перераховані переваги спрямовані на підвищення ефективності виробництва електричної і теплової енергії. На фігурі зображено теплову схему газопаротурбінної установки, що заявляється. Газопаротурбінна установка складається із газопаротурбінного двигуна 1 з регулятором витрати палива і послідовно розташованими компресором 2, камерою згоряння 3 і турбіною 4, що зв'язана валом з перетворювачем 5 механічної енергії в електричну, розташовані за турбіною 4 і пов'язані з нею по газопаровій суміші (відпрацювавших газах) котел-утилізатор 6 з економайзером 7, випаровувачем 8, пароперегрівником 9 і барабаном сепаратором 10, підключений по парі одночасно до камери згоряння 3 і через регулювальний клапан 11 до теплообмінника теплопостачання 12 і конденсатор 13 з розпилювачем 14, що через декарбонізатор і систему очищення води (на кресленні не показане) підключений до входу бака чистої води 15, вихід якого через розподільник 16 і конденсатний насос 17 підключений до входу охолоджувача конденсату 18, а останній своїм виходом підключений до розпилювача 14 конденсатора 13. Крім того, вихід розподільника 16 підключений до входу регенеративного теплообмінника 24 деаератора 25 і через регулювальний клапан 20 і насос високого тиску 21 до зволожувача повітря 22, який розташований в шахті забору повітря 23. Одночасно при цьому теплообмінники гарячого теплопостачання 19 і теплопостачання 12 своїми входами підключені до виходу конденсатора 13, а своїми виходами підключені до входу конденсатного насосу 17, а барабан-сепаратор 10 котла-утилізатора 6 через регулювальний клапан 31 підключений по насиченій воді до входу теплообмінника теплопостачання 12 і через регулювальний клапан 30 підключений по насиченій воді до першого розширювача 27, а його вихід по насиченій воді підключений до входу другого розширювача 28 і так далі, а вихід останнього розширювача Н по насиченій воді через регулювальний клапан 29 підключений до входу теплообмінника теплопостачання 12, а по насиченій парі, що утворилась при розширенні насиченої води, кожний з розширювачів підключений до проточної частини компресора 2 за ступенями, де тиск повітря трохи нижче подаваної туди пари. Робота газопаротурбінної установки здійснюється наступним чином. 27810 6 Атмосферне повітря через компресор 2 газопаротурбінного двигуни 1, подають в камеру згоряння 3, куди направляють вуглеводне паливо й спалюють. Продукти згоряння, що утворилися при цьому, змішують із водяною парою, що надходить у камеру згоряння 3 з пароперегрівника 9 котла-утилізатора 6. Отриману в камері згоряння 3 газопарову суміш направляють в турбіну 4, де її розширюють, перетворюючи при цьому її потенційну енергію в кінетичну, а останню в механічну, котру одночасно перетворюють в електричну енергію в електрогенераторі 5. Відпрацювавшу в турбіні 4 газопарову суміш (відпрацювавші гази) направляють в котелутилізатор 6, де максимально утилізують її теплоту, для чого встановлюють рівність водяних еквівалентів охолоджуючих відпрацювавших газів і нагріваємої води. Останнє дозволяє забезпечити мінімальну різницю температур (10-15°С) охолоджувального і нагріваємого агентів на вході в економайзер 7 і одержати надлишкову насичену воду в економайзері 7 котла-утилізатора 6, котру відбирають із виходу економайзера 7 або барабана-сепаратора 10 та при температурі навколишнього середовища вище +8°С через регулювальний клапан 31 подають до першого розширювача 27 послідовно встановлених розширювачів та послідовно розширюють. Після розширення води в першому розширювачі 27, її направляють на вхід другого розширювача 28 і так далі, а з останнього розширювача Н через відсічний клапан 29 воду направляють до входу теплообмінника 12, а насичену пару, що утворилася, з кожного розширювача направляють в проточну частину компресора 3 відповідно за ступенями, де тиск повітря трохи нижчій від подаваної туди пари. При зниженні температури навколишнього середовища нижче +8°С насичену воду перед першим розширювачем 27 відбирають через регулювальний клапан 30 і направляють в теплообмінник теплопостачання 12. При цьому, чим нижче опускається температура навколишнього середовища, тим більше насиченої води направляється в теплообмінник теплопостачання 12 за рахунок подальшого перекриття прохідного перетину регулювального клапана 31 системи розширювачів і відкриття регулювального клапана 30. Одночасно при цьому на вхід теплообмінника теплопостачання 12 через регулювальний клапан 11 починають подавати перегріту пару, що відбирають за пароперегрівником 9 котла-утилізатора 6 у кількостях, що забезпечує необхідну кількість теплової енергії на опалення, а постійне значення електричної потужності на клемах генератора забезпечується застосуванням регулятора потужності турбіни генератора N=const. Одночасно при цьому для забезпечення постійного значення температури газопарової суміші на вході в турбіну регулюють витрату палива, для чого до складу регулятора витрати палива газотурбінного двигуна додатково включають коректор витрати палива, що вступає в роботу при температурі навколишнього 7 середовища +8°С і нижче. Після котла-утилізатора 6 відпрацювавші гази направляють в конденсатор 13, де при контакті з охолоджувальною водою, що подається зі зрошувача 14 їх охолоджують із конденсацією водяної пари, а частину конденсату, що утворився (суміш охолоджуваючюї води та конденсату) відбирають безпосередньо за конденсатором 13 і спрямовують на вхід теплообмінників теплопостачання 12 і гарячого водопостачання 19, а конденсат, що залишився, послідовно направляють в декарбонізатор і систему очищення води (при необхідності), а далі в бак чистої води 15 і розподільник 16, на виході з якого конденсат розділяють на три потоки: один через конденсатний насос 17 і охолоджувач конденсату 18 направляють у розпилювач 14 конденсатора 13, а другий потік через регулювальний клапан 20 і насос високого тиску 21 подають в зволожувач повітря 22, що надходить в шахту його забору 23 з навколишнього середовища, а третій через регенеративний теплообмінник 24 деаератора 25 і циркуляційний насос 26 спрямовують в економайзер 7 котла-утилізатора 6. Запропонована газопаротурбінна установка в порівнянні із прототипом включає цілий ряд нових елементів, які дозволяють: 1. Одержати надлишкову насичену воду і відібрати її з барабана-сепаратора або за економайзером, що дозволяє здійснити поглиблену утилізацію теплоти відпрацювавших газів без порушення процесу випаровування води у випарнику і одержання перегрітої пари в пароперегрівнику з температурою, що задана його споживачем; 2. Виконати зволоження повітря на вході в компресор газопаротурбінного двигуна, котре разом з водяними еквівалентами нагріваємої води і охолоджувальних відпрацювавших газів, що дорівнюють один одному, дозволило підвищити паровміст відпрацювавших газів до величини, що забезпечує одержання води на виході з конденсатора з температурою, що задовольняє вимогам системи гарячого водопостачання і тим самим, дозволяє практично, повністю корисно використати теплоту відпрацювавших газів. 3. Реалізувати утилізовану теплоту відпрацювавших газів в неопалюваний період для виробництва механічної енергії, що дозволило на протязі всього року корисно використати всю утилізовану теплоту і тим самим усунути один з вагомих недоліків, який властивий традиційним когенераційним установкам. Для порівняння нагадаємо, що рішення цієї проблеми теплофікації в традиційних енергетичних установках спільного виробництва електричної і теплової енергії при значному зниженні температури навколишнього середовища досягається шляхом застосування традиційних способів одержання додаткового тепла або в резервних котлах (в паротурбінних установках), або в пристроях, що спалюють додаткове паливо, котрі встановлені в котлах-утилізаторах. Але такий спосіб значно погіршує ефективність процесу спільного виробництва електричної і теплової 27810 8 енергії. Обумовлене це тим, що в традиційних енергоустановках вся енергія додатково підведеного палива використовується тільки для одержання додаткової теплової енергії, а в запропонованій газопаротурбінний установці все підведене паливо незалежно від температури навколишнього середовища використовується на спільне виробництво електричної і теплової енергії. З огляду на те, що електрична енергія в кілька разів дорожча за теплову, то електричний ККД запропонованої газопаротурбінної установки істотно вище традиційних когенераційних установок. Крім того, в запропонованій газопаротурбінній установці, зниження температури навколишнього середовища використовується як зниження температури холодного джерела її термодинамічного циклу, що істотно підвищує її ефективний коефіцієнт корисної дії та додатково істотно (приблизно в 1,3 рази) знижує витрату палива на виробництво електричної і теплової енергії в порівнянні з діючими когенераційними установками.