Парогазова установка з котлом-утилізатором

Реферат: Парогазова установка з котлом-утилізатором містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка працює на природному газі і складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, пристрій для додаткового спалювання газу зі скиданням продуктів згорання в газохід, який з'єднує газову турбіну з котлом-утилізатором, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки та живильного насоса, систему водопідготовки і систему регулювання. Вона додатково містить систему підготовки палива, яка складається з конвертора для здійснення парової конверсії природного газу, розташованого після пристрою для додаткового спалювання газу, контуру для підготовки пари для конверсії, розташованого першим за ходом продуктів згорання в котлі-утилізаторі. UA 85955 U (12) UA 85955 U UA 85955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до теплоенергетики і може бути використана при спорудженні парогазових установок великої та середньої потужності. Парогазові установки вважаються одними з найбільш перспективних в теплоенергетиці. Найбільш розповсюдженими є парогазові установки з низьконапірними парогенераторами зі скиданням продуктів згорання з газотурбінних установок в топки парогенераторів. В парогазових установках цього типу газотурбінний і паровий цикли достатньо автономні і можуть працювати незалежно один від одного. При цьому для роботи парового циклу може використовуватись більш дешеве і менш дефіцитне тверде паливо. В таких установках потужність парового циклу зазвичай значно перевищує потужність газотурбінного циклу, і ккд парогазової установки в значній мірі залежить від ккд парового циклу, який зазвичай не перевищує 38-40 %. З розвитком газотурбобудування і появою високотемпературних газотурбінних установок все більша увага звертається на парогазові установки з котлами-утилізаторами. В парогазових установках цього типу паливо подають тільки в камеру згоряння газотурбінної установки. Паровий цикл здійснюється за рахунок теплової енергії скидних газів газової турбіни. Парогазові установки цього типу більш маневрові, ніж парогазові установки з низькопараметричним парогенератором. Пуск установки на повну потужність зазвичай не перевищує 60 хвилин. Установки з котлом-утилізатором більш компактні, менш металоємні і мають меншу питому вартість, ніж установки попереднього типу [А.А. Канаев, М.И. Корнеев. Парогазовые установки. – Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1974. - С. 240.] Недоліком парогазових установок з котлом-утилізатором у порівнянні з установками попереднього типу є жорстка залежність їх потужності від потужності газотурбінної установки, що обмежує їх потужність. Паровий цикл менш впливає на показники установки в цілому, але ккд парового циклу з котлами-утилізаторами менший за ккд парового циклу в попередньому типі газотурбінних установок. При необхідності підвищення потужності парогазових установок з котлами-утилізаторами це здійснюють за допомогою пристрою для додаткового спалювання газу на вході в котелутилізатор, за рахунок чого підвищується потужність парового циклу і відповідно потужність установки в цілому. Але це супроводжується зниженням ккд установок і зростанням питомої витрати палива. Однак використання в парогазових установках з котлом-утилізатором сучасних високотемпературних газових турбін з ккд 40-45 % відкриває нові можливості для підвищення їх ефективності і обумовлює тенденції їх широкого впровадження. Відома парогазова установка з котлом-утилізатором, з високотемпературною газовою турбіною і пристроєм для додаткового спалювання газу прийнята за прототип [Энергетика: история, настоящее и будущее. Том III. Развитие тепловой и атомной энергетики. – Киев: ООО "Редакция издания "Энергетика: история, настоящее и будущее", 2008. - С. 527; Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки теплових электростанций. – Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 579]. Прототип містить газотурбінну установку з електрогенератором, що складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, пристрій для додаткового спалювання газу, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки та живильного насоса, систему водопідготовки і систему регулювання. Суттєвим недоліком прототипу, окрім означених вище, є й те, що єдиним видом палива для енергетичних установок цього типу може бути тільки газоподібне паливо, практично, природний газ, який імпортується в Україну, і дефіцитність якого і ціна перманентно зростають. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення схеми парогазової установки шляхом введення системи підготовки палива з використанням конвертора природного газу і пристрою для додаткового спалювання газу, що забезпечить перерозподіл теплової енергії між ефективною газотурбінною установкою і менш ефективною паротурбінною установкою, завдяки чому знизиться питома витрата палива парогазовою установкою при одночасному підвищенні її потужності. Поставлена задача вирішується тим, що парогазова установка з котлом-утилізатором, що містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка працює на природному газі і складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, пристрій для додаткового спалювання газу зі скиданням продуктів згорання в газохід, який з'єднує газову турбіну з котломутилізатором, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котлаутилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи 1 UA 85955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 паротурбінної установки та живильного насоса, систему водопідготовки і систему регулювання, згідно з корисною моделлю, додатково містить систему підготовки палива, яка складається з конвертора для здійснення парової конверсії природного газу, розташованого після пристрою для додаткового спалювання газу, контуру для підготовки пари для конверсії, розташованого першим за ходом продуктів згорання в котлі-утилізаторі та додаткового насоса для подачі води в паровий контур для конверсії, змішувача природного газу з парою, підігрівача суміші перед подачею її в конвертор, розташованого після конвертора за ходом продуктів згорання з пристрою для додаткового спалювання газу, систему повернення конверсійної води, яка складається з охолоджувача продуктів згорання, розташованого після котла-утилізатора, конденсатора пари з продуктів згорання, розташованого після охолоджувача продуктів згорання, та конденсатного насоса, а котел-утилізатор, крім парових контурів для конверсії та паротурбінної установки, додатково містить підігрівач повітря для пристрою додаткового спалювання газу, розташований між паровими контурами для конверсії та паротурбінної установки. Система підготовки палива забезпечує перерозподіл теплової енергії між високоефективною газотурбінною установкою і менш ефективною паротурбінною установкою для підвищення ефективності парогазової установки в цілому. Конвертор здійснює парову конверсію природного газу, що є одним з основних факторів перерозподілу теплової енергії. Конвертор необхідно розташовувати після пристрою для додаткового спалювання палива для забезпечення достатньо високої температури в конверторі, від чого залежить ступінь повноти реакції конверсії і ефективність її застосування. Додатковий паровий контур підготовки пари для конверсії, розташований в котлі-утилізаторі, в загальному випадку повинен бути окремим, оскільки тиск в цьому контурі визначається тиском в камері згорання газотурбінної установки і може суттєво відрізнятися від тиску в паровому контурі паротурбінної установки. Для забезпечення такого тиску необхідним є і додатковий насос для подачі води в контур пари для конверсії. Температура пари для конверсії повинна бути достатньо високою. Це теж один із факторів перерозподілу теплової енергії. Тому контур пари для конверсії розміщується в першій ланці котла-утилізатора. Змішувач природного газу з парою і підігрівач суміші необхідні для підготовки реагентів для конверсії. Підігрівач суміші реагентів (пари і природного газу) забезпечує підвищення температури реагентів перед спрямуванням їх в конвертор. Крім того, це один з факторів перерозподілу теплової енергії. Система повернення конверсійної води запобігає втратам конверсійної води з викидом продуктів згорання з парогазової установки. Для цього потрібно мати охолоджувач продуктів згорання до температури точки роси і конденсатор для конденсації пари, яка міститься в продуктах згорання. Конденсатний насос системи повернення конденсатної води забезпечує подачу одержаного конденсату в систему водопідготовки для його очищення. Підігрівач повітря для пристрою додаткового спалювання палива перерозподіляє теплову енергію. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої парогазової установки з котлом-утилізатором. Установка містить газотурбінну установку, яка складається з компресора 1, камери спалювання 2, газової турбіни 3, електрогенератора 4, котел-утилізатор 5 з контуром підготовки пари для конверсії 6, підігрівачем повітря 7, паровим контуром паротурбінної установки 8, систему підготовки палива з паровим контуром 8, змішувачем пари для конверсії з природним газом 9, підігрівачем суміші 10, конвертором 11, пристрій для додаткового спалювання палива 12, паротурбінну установку з паровою турбіною 13, регенеративною системою паротурбінної установки 14, живильним насосом 15, електрогенератором 16, конденсатором 17, конденсатним насосом 18, систему повернення конверсійної води з охолоджувачем продуктів згорання 19, конденсатором 20 та конденсатним насосом 21, систему водопідготовки 22 з насосами 22 та 24. Працює запропонована установка наступним чином. Стиснуте повітря з компресора 1 подають в камеру згорання 2. Одночасно в камеру згорання як паливо подають продукти парової конверсії природного газу з конвертора 11. З камери згорання продукти згорання прямують до газової турбіни 3, в якій теплова енергія продуктів згорання перетворюється в механічну енергію і за допомогою механічно з'єднаного з 2 UA 85955 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 турбіною електрогенератора 4 в електричну енергію. З газової турбіни продукти згорання надходять в котел-утилізатор 5. Система підготовки палива працює наступним чином. З системи водопідготовки 22 насосом 23 під тиском, який визначається тиском в камері згорання газотурбінної установки, подають воду, призначену для конверсії, в паровий контур 6, розташований в котлі-утилізаторі 5. З парового контуру пара прямує в змішувач 9, де змішується з природним газом. Суміш надходить в нагрівач 10, де її температура підвищується до рівня температури в конверторі. З підігрівача суміш прямує в конвертор 11, де відбувається ендотермічна реакція парової конверсії, яка в підсумовуваному вигляді може бути представлена двома рівняннями: СН4 + Н2О = CO+3Н2 СО + Н2О = СО2 + Н2, де СН4 - метан (основна частина природного газу); Н2О - водяна пара; СО - окис вуглецю; СО2 - двоокис вуглецю; Н2 - водень. З конвертора продукти конверсії прямують в камеру згорання газотурбінної установки 2. Реакція конверсії відбувається зі значним поглинанням теплоти і є одним з основних факторів перерозподілу теплової енергії між паротурбінною і газотурбінною установками. Теплова спроможність продуктів конверсії значно перевищує теплову спроможність природного газу, що обумовлює підвищення потужності газотурбінної установки. Ступінь поглинання теплоти при реакції конверсії і відповідно теплова спроможність продуктів конверсії залежать від ступеня повноти реакції конверсії, яка залежить від температури і тиску в конверторі. Зі зниженням температури і підвищенням тиску ступінь повноти реакції знижується. Відповідно знижується і ефективність використання конверсії. Труднощі використання конверсії в газотурбінних установках пов'язані з високим тиском в камерах згорання газотурбінних установок. Тому перспективною для газотурбінних установок є високотемпературна конверсія, чого можна досягти за допомогою пристрою додаткового спалювання палива 12, який зазвичай використовують в газопарових установках з котломутилізатором для підвищення потужності парового циклу. Додаткове спалювання палива в газотурбінних установках зазвичай проводять шляхом допалювання, використовуючи при цьому кисень, який міститься в продуктах згорання газотурбінних установок. Для такої можливості потрібно, щоб концентрація кисню в продуктах згорання була не меншою 15 %. Але в сучасних високотемпературних газотурбінних установках, які працюють з незначним надлишком повітря, рівень кисню в продуктах згорання значно нижчий. Тому у таких випадках як пристрій для додаткового спалювання палива може бути рекомендована додаткова камера спалювання з використанням повітря, яка працює при атмосферному тиску [А.А. Долінський, С.Д. Федоров, Б.Д. Білека, Л.К. Гаркуша. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії. //Патент України на корисну модель, № 39074, 10.02.2009.]. Потужність додаткового спалювання визначається потужністю споживання теплової енергії конвертором, розташованим безпосередньо за камерою спалювання. Для підвищення теплової потужності додаткового спалювання, заощадження газу для цього і перерозподілу теплової енергії, необхідне повітря для цього підігрівають в підігрівачі 7, який розташований в котлі-утилізаторі 5 після контуру пари для конверсії 6. Таке розташування забезпечує високу температуру підігріву повітря. Продукти згорання з камери додаткового спалювання газу після обігріву конвертора 12 використовуються як нагрівальний агент в теплообміннику 10 для підвищення температури реагентів конверсії. Після теплообмінника продукти додаткового спалювання подають в газохід продуктів згорання газотурбінної установки. Одержану при цьому суміш подають в котелутилізатор 5. Паротурбінна установка працює наступним чином. З парового контуру 8, розміщеного в котлі-утилізаторі 5, пара прямує в парову турбіну 13, де її теплова енергія перетворюється в механічну енергію і потім за допомогою електрогенератора 16 в електричну енергію. З турбіни пара прямує в конденсатор 17. Одержаний конденсат за допомогою конденсатного насоса 18 через теплообмінник 19 спрямовують в регенеративну систему паротурбінної установки 14, після чого живильним насосом 15 спрямовують до парового контуру 8 котла-утилізатора. Втрата води в паровому контурі компенсується з системи водопідготовки 22 за допомогою насоса 24. Система повернення конверсійної води працює наступним чином. Продукти згорання після котла-утилізатора 5 спрямовують в рекуперативний теплообмінник 19, де вони охолоджуються конденсатом з конденсатора 18 до температури точки роси. Після цього вони спрямовуються в конденсатор 20, який охолоджується зовнішнім холодильним агентом. Внаслідок подальшого охолодження продуктів згорання більшість пари, яка міститься в них, конденсується. При цьому конденсується не тільки пара конверсійної води, але й пара, яка утворюється внаслідок 3 UA 85955 U 5 10 спалювання газу, що може бути додатковим джерелом води. Конденсат конденсатним насосом 21 спрямовують для очищення в систему водопідготовки 22. В разі необхідності для поповнення втрат води в систему водопідготовки додатково поставляють воду з зовнішнього джерела. Запропонована схема парогазової установки за допомогою використання конверсії природного газу дозволяє перерозподілити теплову енергію між газотурбінною і паротурбінною установками на користь більш ефективної газотурбінної установки, що й обумовлює підвищення ефективності парогазової установки з котлом-утилізатором в цілому. Основні результати розрахунків прототипу та запропонованої парогазової установки при однакових обсягах споживання газу парогазовими установками, температур на вході в газову турбіну, відносних внутрішніх ккд газових турбін і компресорів, ккд парового циклу і температур на виході з котлів-утилізаторів наведені в порівняльній таблиці. Розрахунки виконані на 1 кг природного газу, що витрачається на потребу газотурбінних установок. Показник Електрична потужність газотурбінної установки Електрична потужність паротурбінної установки Електрична потужність парогазової установки Ккд парогазової установки Питома витрата палива 15 20 Розмірність Прототип Запропонована установка Приріст показника, % кВт/кг газу 20084 29535 47,1 кВт/кг газу 15761 11058 -29,8 кВт/кг газу 35845 40593 13,2 % кг/МВт 50,8 0,0392 57,50 0,0346 13,2 -11,7 Як видно з таблиці, електрична потужність запропонованої парогазової установки і її ккд у порівнянні з прототипом збільшуються на 13,2 %. При цьому питома витрата палива зменшується на 11,7 %. Це відбувається за рахунок перерозподілу теплової енергії на користь більш ефективної газотурбінної установки, основним фактором якого є використання високотемпературної парової конверсії. Високотемпературна парова конверсія забезпечує не тільки високі енергетичні показники установки, але й можливість здійснювати її без використання коштовних каталізаторів, що покращує економічні показники установки і гарантує високу надійності її роботи. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 Парогазова установка з котлом-утилізатором, що містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка працює на природному газі і складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, пристрій для додаткового спалювання газу зі скиданням продуктів згорання в газохід, який з'єднує газову турбіну з котлом-утилізатором, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки та живильного насоса, систему водопідготовки і систему регулювання, яка відрізняється тим, що додатково містить систему підготовки палива, яка складається з конвертора для здійснення парової конверсії природного газу, розташованого після пристрою для додаткового спалювання газу, контуру для підготовки пари для конверсії, розташованого першим за ходом продуктів згорання в котліутилізаторі та додаткового насоса для подачі води в паровий контур для конверсії, змішувача природного газу з парою, підігрівача суміші перед подачею її в конвертор, розташованого після конвертора за ходом продуктів згорання з пристрою для додаткового спалювання газу, систему повернення конверсійної води, яка складається з охолоджувача продуктів згорання, розташованого після котла-утилізатора, конденсатора пари з продуктів згорання, розташованого після охолоджувача продуктів згорання, та конденсатного насоса, а котелутилізатор, крім парових контурів для конверсії та паротурбінної установки, додатково містить підігрівач повітря для пристрою додаткового спалювання газу, розташований між паровими контурами для конверсії та паротурбінної установки. 4 UA 85955 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5