RU2029104C1 - Combined-cycle plant - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: plant is provided in addition with nitrogen adsorbers with fast-operating valves. Combustion chamber is connected to oxygen valves at adsorber outlet. EFFECT: improved thermodynamic efficiency of heat cycle, improved reliability of plant. 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях с любым низкосортным топливом. The invention relates to energy and can be used in thermal power plants with any low-grade fuel.

Известны парогазовые установки, содержащие воздушный компрессор, топку, газовую турбину, паросиловой блок, включающий парогенератор и паровую турбину [1], [2]. При этом в топку подают небольшие добавки кислорода. Known combined-cycle plants containing an air compressor, a furnace, a gas turbine, a steam power unit, including a steam generator and a steam turbine [1], [2]. At the same time, small oxygen additives are fed into the furnace.

Недостатком таких схем является невозможность сжечь низкосортное топливо с высоким КПД всей установки из-за больших энергетических затрат на производство кислорода, так как кислородная установка рассматривается в этих схемах автономно от энергетической установки. The disadvantage of such schemes is the inability to burn low-grade fuel with high efficiency of the entire installation due to the high energy costs of oxygen production, since the oxygen installation is considered in these schemes autonomously from the power plant.

Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является парогазовая установка, содержащая последовательное соединенные в газовый контур воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину с теплообменником-утилизатором на выходе, а также паросиловой замкнутый контур, подключенный к газовому контуру через теплообменник-утилизатор, при этом компрессор дополнительно подключен к воздухоразделительному устройству, подключенному своим выходом к камере сгорания [3]. The closest technical solution to the present invention is a combined-cycle plant containing a series-connected air compressor, a combustion chamber, a gas turbine with a heat exchanger-utilizer at the outlet, and a steam-powered closed circuit connected to the gas circuit through a heat exchanger-utilizer, while the compressor additionally connected to an air separation device connected by its output to the combustion chamber [3].

Недостатком известной установки является ее низкий общий КПД брутто, низкая надежность, маневренность при пуске, пожаро- и взрывобезопасность. A disadvantage of the known installation is its low overall gross efficiency, low reliability, maneuverability at start-up, fire and explosion safety.

Целью изобретения является повышение КПД брутто установки, надежности, маневренности при пуске, пожаро- и взрывобезопасности. The aim of the invention is to increase the efficiency of the gross installation, reliability, maneuverability at start-up, fire and explosion safety.

Цель достигается тем, что воздухоразделительное устройство выполнено в виде не менее двух адсорберов азота с быстродействующими клапанами на входе и выходе, при этом оно подключено к камере сгорания своим выходом по кислороду. The goal is achieved in that the air separation device is made in the form of at least two nitrogen adsorbers with high-speed valves at the inlet and outlet, while it is connected to the combustion chamber with its oxygen output.

На чертеже представлена схема предложенной установки. The drawing shows a diagram of the proposed installation.

Парогазовая установка воздушный компрессор 1, подключенный к воздухоразделительному устройству, состоящему из двух адсорберов 2 азота, имеющих на входе воздушные клапаны 3. На выходе адсорберы 2 имеют быстродействующие азотные клапаны 4 и кислородные клапаны 5, последние подключены через коллектор к камере 6 сгорания. На входе в камеру 6 сгорания, кроме того, имеются патрубки для подвода топлива, воды, газов рециркуляции. Газоход на выходе из камеры 6 сгорания подключен к газовой турбине 7, выход из которой последовательно связан с теплообменником-утилизатором 8 и осушителем 9 продуктов сгорания. Паровой котел высокого давления подключен к ЦВД турбины 10, а пароперегреватель 11 - к ЦНД турбины 12. Паровая турбина 13 привода турбокомпрессора 1 на входе связана с ЦВД 10, а на выходе - с системой 14 регенеративного подогрева воды. Выход ЦНД паровой турбины 12 подключен к конденсатору 15, связанному с питательным насосом 16. ЦВД 10 и ЦНД 12 паровой турбины и газовая турбина 7 подключены к электрогенератору 17. Для низкосортного топлива в схеме предусмотрен газогенератор 18, выход которого последовательно подключен к золоуловителю 19, сероуловителю 20, патрубку подвода топлива в топку. Combined-cycle plant air compressor 1, connected to an air separation device consisting of two nitrogen adsorbers 2, with air valves 3 at the inlet. At the outlet, the adsorbers 2 have high-speed nitrogen valves 4 and oxygen valves 5, the latter being connected via a collector to the combustion chamber 6. At the entrance to the combustion chamber 6, in addition, there are nozzles for supplying fuel, water, and recirculation gases. The gas duct at the outlet of the combustion chamber 6 is connected to a gas turbine 7, the outlet of which is sequentially connected to a heat exchanger-utilizer 8 and a desiccant 9 of the combustion products. The high-pressure steam boiler is connected to the central cylinder of the turbine 10, and the superheater 11 is connected to the central cylinder of the turbine 12. The steam turbine 13 of the turbocharger drive 1 is connected to the central cylinder 10 at the inlet and to the regenerative water heating system 14. The output of the low-pressure cylinder of the steam turbine 12 is connected to a condenser 15 connected to the feed pump 16. The high-pressure cylinder 10 and the low-pressure cylinder 12 of the steam turbine and gas turbine 7 are connected to the electric generator 17. For low-grade fuel, a gas generator 18 is provided in the circuit, the output of which is connected in series to the ash collector 19, a sulfur collector 20, a pipe for supplying fuel to the furnace.

Устройство работает следующим образом. Воздух, сжатый до 5-6 атм, в турбокомпрессоре с пароприводом 1 поступает через клапаны 3 быстрого переключателя в адсорбер 2 азота. Специальный адсорбент, так называемое молекулярное сито, поглощает азот, и из адсорбера выходит кислород с концентрацией от 92 до 95%. Гидравлическое сопротивление адсорберов невелико и кислород за адсорбером имеет давление не ниже 5 ата. Потом сжатый воздух клапанами 3 переключается на другой адсорбер, а в первоначальном адсорбере давление снижается до атмосферного, при этом происходит регенерация адсорбента с выходом азота через азотные клапаны 4 в атмосферу. Продолжительность цикла адсорбции продолжается около 1 мин и потому такой метод получения кислорода получил название - метод адсорбции с циклическим изменением давления (АЦД) или в иностранной литературе принято называть такой метод РSA. The device operates as follows. Air compressed to 5-6 atm in a turbocharger with steam drive 1 flows through the valves 3 of the quick switch into the nitrogen adsorber 2. A special adsorbent, the so-called molecular sieve, absorbs nitrogen, and oxygen with a concentration of 92 to 95% leaves the adsorber. The hydraulic resistance of the adsorbers is small and the oxygen behind the adsorber has a pressure of at least 5 atm. Then, the compressed air is switched by valves 3 to another adsorber, and in the initial adsorber, the pressure decreases to atmospheric, while the adsorbent is regenerated with the release of nitrogen through the nitrogen valves 4 into the atmosphere. The adsorption cycle lasts about 1 min, and therefore this method of producing oxygen is called the adsorption method with cyclic pressure change (ADC), or in foreign literature it is customary to call this method PSA.

Каждый адсорбер снабжен тремя клапанами быстрого переключения: воздушным 3, азотным 4, кислородным 5. Все кислородные клапаны соединены с общим коллектором, из которого кислород поступает в камеру 6 сгорания. Each adsorber is equipped with three quick change valves: air 3, nitrogen 4, oxygen 5. All oxygen valves are connected to a common collector, from which oxygen enters the combustion chamber 6.

В камеру 6 сгорания поступает топливо, а для снижения температуры топочных газов до допустимых для работы газовой турбины подаются вода и охлажденные и сжатые продукты рециркуляции - топочные газы. После расширения в газовой турбине 7 топочный газ поступает в теплообменник 8 и потом, пройдя осушитель 9 уходящих газов, покидает энергетическую установку. Fuel is supplied to the combustion chamber 6, and to reduce the temperature of the flue gases to allowable for the operation of the gas turbine, water and cooled and compressed recirculation products — flue gases — are supplied. After expansion in a gas turbine 7, flue gas enters the heat exchanger 8 and then, having passed the exhaust gas dryer 9, leaves the power plant.

Пар из парогенератора расширяется в ЦВД паровой турбины 10 до промежуточного давления, потом вновь подогревается в пароперегревателе 11 и идет в ЦНД паровой турбины 12. Из основной паровой турбины пар частично отбирается на паровую турбину 13, вращающую воздушный компрессор. Из основной паровой турбины, связанной с газовой турбиной и электрогенератором 17, пар после расширения поступает в конденсатор 15. Конденсат сжимается в питательном насосе 16, а потом нагревается сначала в осушителе 9 уходящих газов, а потом - в регенеративных подогревателях 14 паром, поступающим с турбин 10, 12, 13, и далее - в теплообменнике - утилизаторе 8. The steam from the steam generator expands in the CVP of the steam turbine 10 to an intermediate pressure, then it is again heated in the superheater 11 and goes to the low-pressure cylinder of the steam turbine 12. From the main steam turbine, the steam is partially selected to the steam turbine 13 rotating the air compressor. From the main steam turbine connected with the gas turbine and the electric generator 17, the steam after expansion enters the condenser 15. The condensate is compressed in the feed pump 16, and then heated first in the dryer 9 of the exhaust gases, and then in the regenerative heaters 14 with steam coming from the turbines 10, 12, 13, and further in the heat exchanger - utilizer 8.

В такой установке, имеющей кислород, для водяного тракта может быть использован известный кислородный режим, исключающий необходимость в деаэраторе и имеющий ряд экономических преимуществ. На чертеже показана линия подвода кислорода к воде за конденсатором 15. In such an installation having oxygen, a known oxygen regime can be used for the water path, eliminating the need for a deaerator and having a number of economic advantages. The drawing shows the line for supplying oxygen to water behind the condenser 15.

При низкосортных топливах топливо поступает под давлением через систему не показанных на чертеже шлюзов в газогенератор 18, очищается в золоуловителе 19 и сероуловителе 20 и сгорает в камере 6 сгорания. When low-grade fuels, fuel is supplied under pressure through a system of locks not shown in the drawing to the gas generator 18, is cleaned in the ash collector 19 and the sulfur collector 20 and burns in the combustion chamber 6.

Компрессор 1 является общим и для воздухоразделительного устройства и для газотурбинного цикла, что уменьшает капиталовложения и расход на собственные нужды. Compressor 1 is common to both the air separation device and the gas turbine cycle, which reduces the investment and expense for own needs.

Адсорберы 2 азота короткоцикловой адсорбции в сравнении с криогенными установками именно в энергетических комплексах имеют ряд преимуществ. Adsorbers of 2 nitrogen short-cycle adsorption in comparison with cryogenic plants in energy complexes have a number of advantages.

Получение кислорода при высоком давлении исключает потребность в кислородном компрессоре, что повышает КПД брутто всей установки. Установка АЦД полностью пожаро- и взрывобезопасна, так как не имеет емкостей с жидким кислородом. Если пуск крупной криогенной установки требует около трех суток, то АЦД вырабатывает кислород через несколько минут после пуска турбокомпрессора, что повышает маневренность схемы. Выход из строя одного из многих адсорбентов позволяет после его отключения продолжать эксплуатацию всей схемы, в то время как выход из строя хотя бы одного аппарата криогенной схемы заставляет производить для проведения ремонтных работ размораживание, на что требуется несколько суток. Поэтому включение АЦД в комплекс энергетической установки существенно повышает ее надежность. Адсорберы не требуют изоляции и могут работать вне здания. The production of oxygen at high pressure eliminates the need for an oxygen compressor, which increases the gross efficiency of the entire installation. The ADC installation is completely fire and explosion safe, since it does not have tanks with liquid oxygen. If the launch of a large cryogenic installation requires about three days, the ADC generates oxygen a few minutes after the start of the turbocompressor, which increases the maneuverability of the circuit. The failure of one of the many adsorbents allows after its shutdown to continue to operate the entire circuit, while the failure of at least one apparatus of the cryogenic circuit makes it necessary to defrost for repair work, which takes several days. Therefore, the inclusion of ADC in the complex of a power plant significantly increases its reliability. Adsorbers do not require insulation and can work outside the building.

В отличие от криогенных установок, состоящих за небольшим исключением, из разнотипных конструктивных элементов, все адсорберы азота и клапана могут производиться серийно и при массовом производстве стоимость АЦД будет существенно ниже стоимости криогенных установок. Unlike cryogenic plants, which, with a few exceptions, consist of heterogeneous structural elements, all nitrogen and valve adsorbers can be produced in series and in mass production the cost of ADC will be significantly lower than the cost of cryogenic plants.

Известно, что парогазовые установки являются на сегодняшний день самыми высокими по КПД. Замена воздуха кислородом позволяет поднять верхнюю температуру цикла даже для низкосортных топлив до предельных значений допустимой для лопаток газовой турбины. Эта верхняя температура благодаря новым материалам для лопаток газовой турбины все время повышается и в перспективе предлагаемая схема будет иметь самый высокий КПД парогазового цикла. It is known that combined-cycle plants are by far the highest in efficiency. Replacing air with oxygen allows you to raise the upper temperature of the cycle, even for low-grade fuels, to the limit values acceptable for gas turbine blades. Thanks to new materials for gas turbine blades, this upper temperature is constantly increasing and in the future the proposed scheme will have the highest efficiency of the combined cycle.

Предлагаемая схема кроме электроэнергии вырабатывает высококонцентрированный углекислый газ, который может найти применение в ряде отраслей народного хозяйства. The proposed scheme, in addition to electricity, produces highly concentrated carbon dioxide, which can be used in a number of sectors of the national economy.

Claims (1)

ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА, содержащая последовательно размещенные в газовом контуре воздушный компрессор, камеру сгорания, газовую турбину с теплообменником-утилизатором на выходе отработавших газов, при этом выход компрессора имеет дополнительное подключение к камере сгорания через воздухоразделительное устройство, а также замкнутый паросиловой контур, подключенный к газовому контуру посредством теплообменника-утилизатора последнего, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, воздухоразделительное устройство выполнено в виде по крайней мере двух адсорберов азота, каждый из которых имеет быстродействующие клапаны на входе и выходах соответственно по азоту и кислороду, при этом адсорберы подсоединены к камере сгорания своими выходами по кислороду. STEAM-GAS PLANT containing an air compressor sequentially placed in the gas circuit, a combustion chamber, a gas turbine with a heat exchanger-utilizer at the exhaust gas outlet, while the compressor outlet has an additional connection to the combustion chamber through an air separation device, as well as a closed steam-powered circuit connected to the gas circuit by means of a heat exchanger-utilizer of the latter, characterized in that, in order to increase efficiency and reliability, an air separation device is made but in the form of at least two nitrogen adsorbers, each of which has high-speed valves at the inlet and outlet, respectively, for nitrogen and oxygen, while the adsorbers are connected to the combustion chamber with their oxygen outputs.

Images