Парогазова установка з котлом-утилізатором

Реферат: Парогазова установка з котлом-утилізатором містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки, живильного насоса та системи водопідготовки, головний газохід продуктів згорання газотурбінної установки, що з'єднує газову турбіну з котлом-утилізатором, і систему регулювання. Додатково містить систему підготовки палива, яка складається зі змішувача природного газу з парою, що з'єднується паропроводом з котлом-утилізатором, триконтурного конвертора, пристрій допалювання, що з'єднується газоходами з другим та третім контурами конвертора та систему повернення конверсійної води, яка складається з охолоджувача продуктів згорання, розташованого після котла-утилізатора та конденсатора пари з продуктів згорання. Котел-утилізатор містить додатковий паровий контур. UA 88793 U (12) UA 88793 U UA 88793 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до теплоенергетики і призначена для використання при спорудженні парогазових установок великої та середньої потужності. Відома парогазова установка з котлом-утилізатором, що вибрана нами за прототип. [С.В.Цанаев, В.Д.Буров, А.Н.Ремезов. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М: Издательский дом МЭИ, 2009.-584 с]. Установка містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка працює на природному газі і складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки та живильного насоса, газохід продуктів згорання газотурбінної установки, що з'єднує газову турбіну з котлом-утилізатором, систему водопідготовки та систему регулювання. З існуючих типів парогазових установок парогазова установка з котлом-утилізатором найбільш перспективна. Вона більш проста, менш металоємна і з появою високотемпературних газових турбін найбільш ефективна. Недоліком цієї установки є жорстка залежність її потужності від потужності газотурбінної установки, яка повністю визначає потужність парогазової установки. Цим фактором обумовлюється і можливість її регулювання. Іншою особливістю енергетичної парогазової установки з котлом-утилізатором є те, що вона може працювати тільки на природному газі, на відміну, наприклад, від розповсюджених скидних парогазових установок, паротурбінний блок яких може працювати на твердому паливі. Тому при рівній потужності парогазова установка з котлом-утилізатором, незважаючи на більш високий КПД, споживає значно більше газу, ніж скидна парогазова установка. В умовах дефіциту природного газу і перманентного зростання ціни на нього цей недолік є суттєвим. З цієї причини ефективність використання газу в парогазових установках з котлом-утилізатором є достатньо гострою проблемою. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення схеми парогазової установки з котлом-утилізатором з метою підвищення її потужності і ефективності використання палива шляхом перерозподілу наявної теплової енергії між енергетичними блоками установки на користь більш ефективного газотурбінного блоку з допомогою високотемпературної парової конверсії природного газу. Поставлена задача вирішується тим, що парогазова установка з котлом-утилізатором, що містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки, живильного насоса та системи водопідготовки, головний газохід продуктів згорання газотурбінної установки, що з'єднує газову турбіну з котломутилізатором, і систему регулювання, згідно з корисною моделлю додатково містить систему підготовки палива, яка складається зі змішувача природного газу з парою, що з'єднується паропроводом з котлом-утилізатором, триконтурного конвертора для здійснення парової конверсії природного газу, в якому контури послідовно з'єднані між собою, при цьому перший контур по ходу продуктів конверсії, з'єднаний зі змішувачем, є низькотемпературним і вмонтований в головний газохід, а другий і третій, з'єднаний з камерою згорання газотурбінної установки, є високотемпературними, пристрою допалювання, що з'єднується газоходами з другим та третім контурами конвертора, два відгалуження головного газоходу, перше з яких розташоване перед вмонтованим низькотемпературним контуром і з'єднує пристрій допалювання з головним газоходом, а друге розташоване після низькотемпературного контуру і є скидним газоходом продуктів згорання з другого і третього контурів в головний газохід, та систему повернення конверсійної води, яка складається з охолоджувача продуктів згорання, розташованого після котла-утилізатора та конденсатора пари з продуктів згорання, а котелутилізатор містить додатковий паровий контур, що виробляє пару для конверсії. Система підготовки палива забезпечує перерозподіл наявної теплової енергії (енергії спаленого палива) між високоефективною газотурбінною установкою і менш ефективною паротурбінною установкою, що підвищує потужність і ефективність парогазової установки в цілому. Змішувач природного газу з парою необхідний для підготовки реагентів реакції конверсії. Конвертор здійснює парову конверсію природного газу, що є основним фактором перерозподілу теплової енергії між газотурбінним і паротурбінним циклами установки. Перший контур конверсії здійснює низькотемпературну конверсію на основі утилізації теплоти скидних газів газової турбіни. Другий і третій контури здійснюють високотемпературну 1 UA 88793 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конверсію для забезпечення високої теплової спроможності палива для газотурбінної установки. Двоконтурна конструкція високотемпературної частини конвертора необхідна для зменшення витрати додаткового палива в пристрої допалювання. Пристрій допалювання, в якому відбувається спалення додаткового газу в продуктах згорання газотурбінної установки, необхідний для підвищення температури продуктів згорання, що використовуються другим і третім контурами конвертора як теплове джерело для здійснення високотемпературної конверсії. Перше відгалуження газоходу використовується для подачі з газоходу в пристрій допалювання продуктів згорання газотурбінної установки, в атмосфері яких здійснюється згорання додаткового газу. Розташування першого відгалуження перед першим контуром конверсії необхідне для збереження високої температури вихідних продуктів згорання для допалювання, що забезпечує економію додаткового газу. Друге відгалуження газоходу використовується для скидання продуктів згорання після другого та третього контурів конверсії в газохід для подальшого використання їх залишкового теплового потенціалу в котлі-утилізаторі. Система повернення конверсійної води запобігає втратам конверсійної води з викидом продуктів згорання з парогазової установки в оточуюче середовище. Для цього потрібно мати охолоджувач продуктів згорання до температури точки роси, конденсатор для конденсації пари, що міститься в продуктах згорання і конденсатний насос для подачі одержаного конденсату в систему водопідготовки для його очищення. Додатковий контур в котлі-утилізаторі необхідний для вироблення пари, що використовується як один з реагентів конверсії. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена принципова схема запропонованої парогазової установки з котлом-утилізатором. До складу схеми входять 4 основних блоки - газотурбінна установка, паротурбінна установка, система підготовки палива, і система повернення конверсійної води. Газотурбінна установка містить компресор 1, камеру згорання 2 і газову турбіну 3 з електрогенератором 4. Паротурбінна установка містить парогенератор 5 з контуром пари для конверсії 6 і паросиловим контуром 7, живильний насос 8, парову турбіну 9 з регенеративною системою 10 і електрогенератором 11, конденсатор 12, конденсатний насос 13, підживильний насос 14 і систему водопідготовки 15. Газотурбінну і паротурбінну установки з'єднує газохід 16 з відгалуженнями 17 та 18. До складу системи підготовки палива входять змішувач 19, в якому готується суміш реагентів для конверсії, конвертор з трьома контурами - першим 20, вмонтованим в газохід, другим 21 та третім 22, пристрій допалювання 23, з'єднаний відгалуженням 17 з газоходом 16 для відбору продуктів згорання для допалювання, система допоміжних газоходів з колекторами 24 та 25, що з'єднує контури конвертора 21 та 22 з пристроєм допалювання 23 та відгалуженням 18 для скидання продуктів згорання з контурів конвертора до газоходу 16. Функціонально до складу системи підготовки палива відноситься і контур підготовки пари для конверсії 6, розташований в котлі-утилізаторі 5, і насос 27, який подає воду в паровий контур 6 з системи водопідготовки 15. Система підготовки палива з'єднується з газотурбінною установкою газоходом продуктів конверсії 26, що з'єднує третій контур конвертора 22 з камерою згорання газотурбінної установки 2. Система повернення конверсійної води містить охолоджувач продуктів згорання 28, конденсатор 29 і конденсатний насос 30. Працює запропонована установка наступним чином. Стиснуте повітря з компресора 1 подають в камеру згорання 2. Одночасно в камеру згорання по газопроводу 26 подають як паливо продукти парової конверсії природного газу з третього контуру конвертора 22 системи підготовки палива. З камери згорання 2 продукти згорання прямують до газової турбіни 3, в якій теплова енергія продуктів згорання перетворюється в механічну енергію і за допомогою механічно з'єднаного з турбіною електрогенератора 4 в електричну енергію. З газової турбіни продукти згорання по головному газоходу 16 надходять в котел-утилізатор 5. Пара з паросилового контуру 7 котла-утилізатора прямує в парову турбіну 9, де її теплова енергія перетворюється в механічну енергію і потім за допомогою електрогенератора 11 в електричну енергію. З турбіни частина пари відбирається в регенеративну систему 10, а решта прямує в конденсатор 12. Одержаний конденсат за допомогою конденсатного насоса 13 через 2 UA 88793 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплообмінник 28 спрямовують в регенеративну систему 10 паротурбінної установки, після чого живильним насосом 8 спрямовують до паросилового контуру 7 в котлі-утилізаторі. Втрата води в паросиловому контурі компенсується з системи водопідготовки 15 за допомогою підживильного насоса 14. Система підготовки палива в установці використовується для підвищення ефективності використання природного газу, головною складовою якого є метан, шляхом його попередньої конверсії. Парова конверсія метану в загальному вигляді може бути представлена двома рівняннями: СН4 + Н2О = СО + 3Н2, CO+H2O=CO2+H2, де СН4 - метан (основна частина природного газу); Н2О - водяна пара; СО - окис вуглецю; СО2 - двоокис вуглецю; Н2 - водень. Реакції конверсії є ендотермічними, тому продукти реакцій мають більшу теплову спроможність, ніж вихідні реагенти. Повнота реакцій конверсії (і відповідно підвищення ефективності використання газу) залежить від температури і тиску реакції і збільшується з ростом температури. На цьому базується ідея використання високотемпературної конверсії. Для підвищення температури конверсії в схемі запропонованої установки застосовується допалювання - спалення додаткового газу в продуктах згорання газотурбінної установки для одержання високотемпературних продуктів згорання, які служать тепловим джерелом для конверсії. У відомих схемах парогазових установок з котлом утилізатором допалювання використовується для підвищення потужності паросилового циклу. В запропонованій установці допалювання разом з послідуючою конверсією призначено для перерозподілу наявної теплової енергії палива між газотурбіннім і паротурбінним циклами на користь більш ефективного запропонованого газотурбінного циклу, що й призводить до збільшення потужності парогазової установки в цілому та підвищенню ефективності використання газу. Допалювання можливе, якщо вміст кисню в продуктах спалення газотурбінної установки перевищує 12 %. [С.В.Цанаев, В.Д.Буров, А.Н.Ремезов. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М: Издательский дом МЭИ, 2009.-584 с]. При використанні в газотурбінних установках як палива продуктів високотемпературної конверсії ця вимога задовольняється. Система підготовки палива працює наступним чином. З системи водопідготовки 15 насосом 27 під тиском, який визначається тиском в камері згорання газотурбінної установки, подають воду, призначену для конверсії, в паровий контур 6 котла-утилізатора 5. З парового контуру пара прямує в змішувач 19, де вона змішується з природним газом. Зі змішувача суміш надходить у, вмонтований в головний газохід 16 перший контур конвертора 20, де відбувається низькотемпературна конверсія природного газу за рахунок утилізації теплоти продуктів згорання газотурбінної установки. Продукти конверсії з першого контуру 20 прямують в другий контур конвертора 21 для подальшого проведення конверсії на більш високому температурному рівні. Продукти конверсії з другого контуру конвертора 21 спрямовують у третій контур конвертора 22. З третього контуру продукти конверсії при остаточній температурі конверсії прямують у камеру згорання 2 газотурбінної установки. Тепловим джерелом для високотемпературних контурів конвертора 21 і 22 є високотемпературні продукти згорання з пристрою допалювання 23, в який по відгалуженню головного газопроводу 17 подають продукти згорання газотурбінної установки, рівень кисню у складі яких перебільшує 12 %, з одночасною подачею додаткового газу. В наслідок згорання додаткового газу температура продуктів згорання підвищується до температури, яка залежить від температури продуктів конверсії на виході з конура конвертора 22. Витрата продуктів згорання в відгалуженні газоходу 17 визначається тепловою потужністю високотемпературних контурів конвертора. Двоконтурна конструкція високотемпературної частини конвертора пояснюється немонотонним характером теплопоглинання конвертора в діапазоні температур 1000-1200 К. Двоконтурна конструкція дозволяє вибрати контури таким чином, що теплопоглинання в кожному ступені буде мати монотонний характер, що сприяє економії додаткового палива на допалювання. Паралельна подача теплоносія в контури 21 та 22 з допомогою системи допоміжних газоходів також має мету економії додаткового газу. Колектор 24 призначений для розподілу високотемпературних продуктів згорання після пристрою допалювання між контурами 21 та 22, витрата продуктів згорання в яких різна. Скидні продукти згорання з високотемпературних контурів конвертора 21 та 22 спрямовують з допомогою системи допоміжних газопроводів і колектора 25 в відгалуження головного 3 UA 88793 U 5 10 15 20 газопроводу 18 для скиду в головний газопровід 16 для утилізації їх залишкової теплоти в котліутилізаторі 5. Вода, яка використовується для здійснення конверсії, підвищує вміст пари в продуктах згорання газотурбінної установки і разом з ними викидається з парогазової установки в оточуюче середовище, що призводить до втрати конверсійної води. Цієї втрати води можна запобігти, якщо це виправдано техніко-економічним розрахунком. Система повернення конверсійної води працює наступним чином. Продукти згорання після котла-утилізатора 5 спрямовують в рекуперативний теплообмінник 28, де вони охолоджуються конденсатом з конденсатора 12 до температури точки роси. Після цього вони спрямовуються в конденсатор 29, 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 спалювання газу, що може бути додатковим джерелом води. Конденсат з конденсатора 29 конденсатним насосом 30 спрямовують для очищення в систему водопідготовки 15. В разі необхідності для поповнення втрат води в систему водопідготовки додатково поставляють воду з зовнішнього джерела. Запропонована схема парогазової установки з попередньою підготовкою палива на основі використання високотемпературної парової конверсії природного газу дозволяє перерозподілити теплову енергію між газотурбінною і паротурбінною установками, що входять до складу парогазової установки, на користь більш ефективної газотурбінної установки на продуктах конверсії, що й обумовлює підвищення ефективності парогазової установки з котломутилізатором в цілому. Проведені розрахунки показують, що потужність запропонованої парогазової установки в порівнянні з відомими парогазовими установками може бути збільшена на 12-17 % при одночасному зменшенні питомої витрати газу на 5-10 %. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 Парогазова установка з котлом-утилізатором, що містить газотурбінну установку з електрогенератором, яка складається з компресора, камери згорання і газової турбіни, паротурбінну установку з електрогенератором, яка складається з котла-утилізатора, парової турбіни, конденсатора, конденсатного насоса, регенеративної системи паротурбінної установки, живильного насоса та системи водопідготовки, головний газохід продуктів згорання газотурбінної установки, що з'єднує газову турбіну з котлом-утилізатором, і систему регулювання, яка відрізняється тим, що додатково містить систему підготовки палива, яка складається зі змішувача природного газу з парою, що з'єднується паропроводом з котломутилізатором, триконтурного конвертора для здійснення парової конверсії природного газу, в якому контури послідовно з'єднані між собою, причому перший контур по ходу продуктів конверсії з'єднаний зі змішувачем, є низькотемпературним івмонтований в головний газохід, а другий і третій, з'єднаний з камерою згорання газотурбінної установки, є високотемпературними, пристрою допалювання, що з'єднується газоходами з другим та третім контурами конвертора, два відгалуження головного газоходу, перше з яких розташоване перед вмонтованим низькотемпературним контуром і з'єднує пристрій допалювання з головним газоходом, а друге розташоване після низькотемпературного контуру і є скидним газоходом продуктів згорання з другого і третього контурів в головний газохід, та систему повернення конверсійної води, яка складається з охолоджувача продуктів згорання, розташованого після котла-утилізатора та конденсатора пари з продуктів згорання, а котел-утилізатор містить додатковий паровий контур, що виробляє пару для конверсії. 4 UA 88793 U Комп’ютерна верстка М. Мацело 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