Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на станціях теплопостачання і пристрій для його реалізації

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к системам централизованного и децентрализованного теплоснабжения, в частности, к процессам комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения. Наиболее близкий по техническому решению к предлагаемому изобретению способ комбинированного получения тепловой и электрической энергий включает сжигание постоянных количеств природного газа как в газотурбинной установке, так и в топке водогрейного котла, причем в топке устанавливают такой расход природного газа, который обеспечит максимально возможную тепловую мощность котла, а в качестве окислителя используют выхлопные газы газотурбинной установки [3]. Недостаток этого способа заключается в том, что высокоэкономичная выработка тепловой и электрической энергии возможна только в базовом режиме эксплуатации, при котором тепловая нагрузка водогрейного котла является максимальной. В то же время основное требование к станциям теплоснабжения состоит в удовлетворении условия всесезонной экономичной выработки тепловой энергии, когда максимальная тепловая нагрузка (зимний отопительный сезон) отличается от минимальной (летний сезон) примерно в пять - семь раз. Указанный способ не обеспечивает высокий коэффициент использования тепла топлива на частичных нагрузках по тепловой мощности и, следовательно, приводит к увеличению среднегодового расхода топлива, поскольку не предусмотрено специальных операций для обеспечения эффективного процесса сжигания в широком интервале изменения коэффициента избытка воздуха, который вызывается условием постоянства расхода выхлопных газов ГТУ при комбинированной выработке энергий. В результате при переходе на частичные нагрузки за счет уменьшения количества топлива, сжигаемого в топке котла, не обеспечивается требуемая температура в зоне горения, неизбежными являются неустойчивость горения факела, срыв пламени и большой химический недожег топлива, т.е. низкая экономичность работы установки на частичных тепловых нагрузках. Устройство для реализации описанного способа комбинированной выработки тепловой и электрической энергий включает газотурбинную установку (ГТУ), электрогенератор, приводимый во вращение ГТУ, водогрейный котел с топкой, оснащенной блоком горелок, и газоход, соединяющий выхлопную камеру ГТУ с блоком горелок водогрейного котла [3]. Основным недостатком этого устройства является применение обычных турбулентных горелок, способных эффективно и устойчиво сжигать топливо в весьма узком диапазоне коэффициентов избытка воздуха (1,15 - 2,5). В конструкцию горелок заложен пропорциональный принцип регулирования: количество воздуха для сжигания природного газа должно уменьшаться по мере снижения расхода топлива; при комбинированной выработке энергий, как указывалось выше, регулир ующий орган по каналу окислителя отключен, т.к. расход выхлопных газов ГТУ постоянен. Частичные тепловые мощности требуют сжигания топлива в котле в диапазоне расходов 0-100%. Используемые горелки не обеспечивают устойчивого факела и горения с высоким кпд, вследствие чего известная установка не может обеспечить комбинированное получение теплоты и электричества на частичных (в соответствии с сезонным графиком) нагрузках с высоким коэффициентом использования тепла топлива; кроме этого, снижается коэффициент использования оборудования, т.к. для удовлетворения частичных тепловых нагрузок (например, в летний сезон) необходимо просто отключать часть работающих установок станции теплоснабжения. В основу изобретения поставлена задача создания способа комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, в котором путем разделения потока выхлопных газов за ГТУ на несколько изолированных друг от друга потоков с возможностью регулирования расхода в каждом из них, подачи природного газа в число потоков, определяемое величиной частичной тепловой нагрузки котла, сжигания природного газа в изолированных потоках с оптимальным коэффициентом избытка воздуха 1,05 - 1,5 при постоянном расходе природного газа, сжигаемого в ГТУ, последующего смешения всех потоков и направления смешанного потока в топочный объем водогрейного котла обеспечивается повышение коэффициента использования тепла топлива и за счет этого снижается расход природного газа на получение тепловой и электрической энергии на частичных нагрузках по тепловой мощности. В основу изобретения поставлена задача создания устройства для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, в котором путем последовательного размещения в газоходе трех пяти предтопков с регулировочными заслонками и секционной камеры смешения газовых потоков, подводящих коллекторов природного газа, форсуночных коллекторов с системой отверстий, теплоаккумулирующи х плит с системой щелевых сопел и запальных свеч и последующего сочленения выхода газохода с подом топки водогрейного котла обеспечивается повышение коэффициента использования тепла топлива на частичных нагрузках по тепловой мощности и за счет это го снижается расход топлива, уменьшается срок окупаемости оборудования и увеличивается коэффициент его использования. Поставленная задача решается тем, что в способе комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, включающем сжигание природного газа в газотурбинной установке, формирование потока выхлопных газов за газотурбинной установкой, сжигание в них природного газа и охлаждение продуктов сгорания в водогрейном котле, согласно изобретению, в газотурбинной установке сжигают природный газ в постоянном количестве, не превышающем 25% расхода природного газа, сжигаемого в водогрейном котле при его номинальной тепловой нагрузке, поток выхлопных газов за газотурбинной установкой разделяют на три-пять потоков и в некоторых из них или во всех одновременно сжигают природный газ с оптимальным коэффициентом избытка воздуха (1,05 - 1,5) и затем все потоки смешивают, а при минимальной тепловой нагрузке водогрейного котла сжигание природного газа в выхлопных газах газотурбинной установки прекращают. Поставленная задача решается тем, что в устройстве для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, содержащем газотурбинную установку, электрический генератор, подключенный к валу газотурбинной установки, водогрейный котел с топочным объемом и газоход, соединяющий выхлопную камеру газотурбинной установки с топочным объемом водогрейного котла, согласно изобретению, газоход дополнительно снабжен рядом предтопков, расположенных на входе газохода по его поперечному сечению, и камерой смешения газовых потоков, расположенной на выходе газохода, при этом каждый из предтопков содержит входную регулировочную заслонку и последовательно установленные за ней подводящий коллектор природного газа, форсуночный коллектор с системой отверстий, теплоаккумулирующую плиту с системой щелевых отверстий и запальную свечу, а камера смешения выполнена секционной, причем продольные стенки секций образованы разделительными перегородками предтопков и на выходе каждой секции под углом 30 - 45° к продольной оси газохода установлены стенки с поперечными щелями, причем щели одной стенки смещены на полшага относительно щелей другой, при этом наружные стенки камеры смешения образованы вертикальными тепловоспринимаю-щими трубами, проходящими через центральное окно пода водогрейного котла и соединены с тепловоспринимающими трубами последнего. В результате того, что, согласно предлагаемому способу, поток выхлопных газов ГТУ в предтопках разделяется на три-пять изолированных друг от друга потоков с возможностью регулирования в них расходов выхлопных газов создаются условия, необходимые для осуществления устойчивого и экономичного процесса горения и достижения наивысшей температуры в зоне горения. Частичные режимы по тепловой нагрузке котла регулируются количеством предтопков, в которых идет процесс горения топлива. При зажигании предтопка предусмотренная на его входе регулирующая заслонка прикрывается, уменьшая расход выхлопных газов через данный предтопок до такой величины, чтобы обеспечить зажигание обогащенной смеси, образующейся при подаче в предтопок природного газа к смешении его с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. Эта обогащенная топливом смесь горит на выходе из системы щелевых сопел теплоаккумулирующей плиты. По мере прогрева плиты регулирующую заслонку открывают и на установившемся режиме работы предтопка горение топлива происходит внутри щелевых сопел теплоаккумулирующей плиты, а благодаря высокой температуре ее стенок достигается наиболее устойчивое горение и обеспечивается практически полное сжигание топлива в потоке газов данного предтопка. При таком способе формирования потока выхлопных газов ПТУ температура потоков в соседних предтопках (равная обычно 450 - 550°C) не будет оказывать заметного влияния на процесс зажигания и горения топлива в работающем предтопке, температура газов за которым достигнет порядка 1700°C. Неравномерность температурного поля в газоходе за предтопками может привести к значительному снижению теплопередачи к экранным и конвективным поверхностям водогрейного котла и опасности появления в них паровых пробок с последующим прогоранием труб. Исключение этих явлений достигается эффективным перемешиванием разнотемпературных газовых потоков с помощью организации взаимопроникающего движения потоков из смежных предтопков. Это осуществляется в секционной камере смешения, на выходе которой установлены наклонные стенки с поперечными щелевыми соплами. Проходя через них, потоки газов разделяются на элементарные плоские струи, при этом векторы их скоростей для двух смежных потоков отклоняются навстречу, так что потоки пронизывают друг др уга, создают вихревые шлейфы с высокой турбулентностью в плоскости их соприкосновения, обеспечивая тем самым эффективное смешение и выравнивание средней температуры потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла. Наклон стенок секций камеры смешения выбран в диапазоне 30 - 45° к продольной оси газохода, что создает оптимальный эффект перемешивания; при угла х наклона, меньших 30°, за счет недостаточной генерации турбулентности в почти спутных потоках газа существенно возрастает необходимая длина камеры смешения; при угла х наклона, больших 45°, увеличиваются аэродинамические потери на смешение, что снижает экономичность всей комбинированной установки. При работе всех предтопков водогрейный котел развивает номинальную тепловую нагрузку (зимний сезон отопления). Выключая последовательно один за другим предтопки тепловую мощность котла сжигают вплоть до минимальной (летний сезон), когда топливо в предтопки не подается, и водогрейный котел работает в режиме котла-утилизатора. Количество изолированных потоков, на которые разделяются выхлопные газы ГТУ, должно обеспечивать заданную графиком работы станции теплоснабжения дискретность изменения тепловой нагрузки. В частности, выбранное число (три - пять) предтопков позволяет иметь шаг регулирования тепловой мощности 27 - 16%; с учетом имеющейся возможности - благодаря прикрытию заслонок в некоторых предтопках и пропорционального снижения расхода топлива в них - в дополнение к дискретному выполняв и плавное регулирование мощности в небольших пределах, реальный шаг регулирования котла по мощности составит 15 10%. Уменьшение числа предтопков до двух штук, во-первых, сильно увеличит шаг дискретного регулирования частичной тепловой мощности водогрейного котла, и во-вторых, приведет к ухудшению условий смешения топлива с вихлопними газами ГТУ, увеличению химического недожега и снижению эффективности использования теплоты топлива. Наоборот, увеличение числа предтопков более пяти существенно усложнит конструкцию газохода и схемы регулирования, но шаг регулирования частичной тепловой ньгрузки изменится при этом незначительно (снизится с 16% до 13%). По условиям совместной работы о составе комбинированной установки должны быть согласованы пропускные способности газотурбинной установки и водогрейного котла. Поскольку основной задачей станцій теплоснабжения является генерация тепловой энергии в соответствии с графиком сезонной нагрузки, необходимо обеспечить возможность регулирования тепловой нагрузки в диапазоне 20 - 100%, причем минимальную ее величину целесообразно получить за счет утилизации тепла выхлопных газов ГТУ, т.е. за счет сжигания природного газа только в ГТУ. Эти специфические особенности работы комбинированной электротеплоустановки достигаются при условии, что расход топлива в ГТУ составляет не более 25% от расхода топлива в водогрейном котле на его номинальной тепловой нагрузке и сохраняется неизменным при всех частичных тепловых нагрузках котла. Указанное соотношение является следствием того, что современные ГТУ работают с коэффициентами избытка воздуха 4,5 - 5,5. Чтобы обеспечить наиболее экономичную работу комбинированной установки необходимо путем сжигания топлива в выхлопных газах ЛГУ довести общий коэффициент избытка воздуха при номинальной тепловой нагрузке котла до значения 1,1, т.е. дополнительно следует сжечь еще примерно утроенный расход топлива ГТУ. Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают регулирование и устойчивую, надежную и экономичную работу водогрейного котла на частичных нагрузках, т.е. всесезоннуюкомбинированную выработку тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, а значит, достигается ожидаемый технический результат, а именно повышение коэффициента использования тепла топлива. Пример осуществления способа. Станция теплоснабжения оборудована водогрейным котлом типа ПТВМ-30 с номинальной тепловой мощностью 40МВт (при работе в составе комбинированной установки штатные горелки котла и вентиляторы для подачи воздуха в горелки отключены). Согласно предложенному способу, по которому расход топлива в ГТУ составляет не более 25% от расхода топлива в водогрейном котле на его номинальной тепловой нагрузке и сохраняется неизменным при всех частичных тепловых нагрузках котла, определяем, что в ГТУ необходимо сжигать не более 1100нм 3/ч природного газа. Из номенклатуры ГТУ, выпускаемых заводами Украины, выбрали установку типа ГТУ-2,5, имеющей расход природного газа 900нм 3/ч. Такой выбор обеспечивает согласование ГТУ и котла по расходам выхлопных и уходящи х газов, а также позволяет удовлетворить сезонные потребности в тепловой мощности в диапазоне 13 - 100%. Согласно предлагаемому способу, поток выхлопных газов в ГТУ был разделен предтопками на четыре изолированных потока. Для обеспечения частичной тепловой нагрузки по зимнему графику теплоснабжения (20МВт) в два предтопка подавали природный газ с расходом по 900нм 3/ч и сжигали его с оптимальным коэффициентом избытка воздуха 1,1, за счет чего на выходе из этих двух предтопков выхлопные газы были подогреты до 1790°C; температура потока в неработающих предтопках составляла 440°C, т.е. равнялась температуре выхлопных газов ГТУ. После эффективного перемешивания в струйной камере смешения среднемассовая температура газового потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла, составляла 1190°C. Поскольку при зимнем сезоне отопления средняя температура воды в контуре водогрейного котла должна быть 115°C, то на выходе из котла получили температуру уходящих газов, равную 162°C. В результате обеспечена частичная тепловая нагрузка котла 19,5МВт, а коэффициент использования тепла топлива составил 0,87, т.е. с таким же кпд вырабатывалось еще 2,5МВт электрической мощности. По сравнению с раздельным получением электрической и тепловой энергии получили относительную экономию удельного расхода топлива 3,4%. Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станции теплоснабжения. На фиг.1 Представлена конструктивная схема устройства, а на фиг.2 показано поперечное сечение газохода на участке камеры смешения потоков. Устройство содержит (фиг.1) газотурбинную установку 1, вал которой соединен с валом электрогенератора 2. К выхлопной камере 3 ГТУ крепится газоход, содержащий два участка: предтопочный участок 4 и камеру смешения 5, выходной фланец которой прикреплен снизу к подовой стенке 6 водогрейного котла 7. Поперечное сечение предтопочного участка 4 разделено перегородками 8 на три - пять равновеликих по площади канала (чтобы не загромождать схему, на фиг.1 показан вариант устройства с тремя каналами). Каждый канал образует предтопок, который содержит входную регулирующую заслонку 9 и последовательно установленные за ней форсуночные коллекторы 10с системой отверстий 11, подводящий коллектор природного газа 12,теп-лоаккумулирующую плиту 13 с рядом продольных щелей и запальную свечу 14. Камера смешения 5 выполнена секционной, причем продольные стенки секций образованы разделительными перегородками 8 предтопков, а на выходе каждой секции под углом 30 - 45° к продольной оси газохода установлены стенки 15 с поперечными щелями 16 (см.фиг.1), причем щели одной стенки смещены на полшага относительно щелей другой. Наружные стенки камеры смешения образованы вертикальными тепловоспринимающими трубами 17, проходящими через центральное окно 18 пода 6 водогрейного котла и соединены с тепловоспринимающими трубами 19 его топочного объема. Нижние концы труб 17 выведены на сборные коллекторы 20, расположенные на внешней стороне стенок камеры смешения. Устройство работает следующим образом. За счет подачи и сжигания природного газа в газотурбинной установке 1 приводится во вращение электрогенератор 3, вал которого соединен с валом ГТУ. Попадая в предтопочный участок 4 газохода, соединяющего ГТУ с водогрейным котлом 7, выхлопные газы разделяются перегородками 8 на три-пять изолированных друг от друга потоков. Процесс горения происходит в предтопках, куда топливо подводится по коллекторам 12 и 10 и выдувается в поток выхлопных газов через систему отверстий 11. Входные регулирующие заслонки 9 находятся в открытом положении. Образовавшаяся смесь выхлопных газов, в которых содержится 16% окислителя, и топлива пропускается через систему плоских щелей в теплоаккумулирующей керамической плите 13 и зажигается запальными свечами 14, Частичные режимы по тепловой нагрузке котла регулируют количеством пред топ ков, в которых идет процесс горения топлива, Выравнивание температуры по сечению газового потока осуществляется в секционной камере смешения 5. Потоки газов, проходя через наклонные щелевые сопла 16, разделяются на элементарные плоские потоки, которые пронизывают друг др уга, обеспечивая эффективное смешение. Через центральное окно 18 в поде 6 котла перемешанный газовый поток направляется в топочный объем котла 7 и далее к его основным конвективным поверхностям нагрева. Переход с меньшей частичной тепловой нагрузки котла на большую происходит путем увеличения количества работающих предтопков (т.е. таких, в которых осуществляется подача и сжигание топлива) из числа расположенных в предтопочном участке газохода 4. Предтопок включается следующим образом. Регулирующая заслонка 9 данного предтопка прикрывается до такой степени, чтобы обеспечить зажигание обогащенной смеси, образующейся при подаче природного газа в коллектор 10, вытекании его через систему отверстий 11 и смешении с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. По мере прогрева плиты регулирующую заслонку открывают. Использование предлагаемого способа комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения позволяет осуществить экономичную и надежную работу на частичных тепловых нагрузках в соответствии с сезонными графиками теплоснабжения. По сравнению с раздельной выработкой такого же количества тепловой и электрической энергии, заявляемые способ и устройство во всем диапазоне частичных тепловых нагрузок обеспечивают экономию природного газа от 3 до 12%, что подтверждает достижение ожидаемого технического результата. Кроме того, экономический потенциал заявляемого изобретения состоит в том, например, что, если хотя бы половину работающих в Украине станций теплоснабжения оборудовать установками для комбинированной выработки энергии, в которых электрическая мощность составит 10% от номинальной тепловой мощности, то это будет равноценно строительству четырех электростанций типа Запорожской АЭС.