RU2142565C1 - Combined-cycle plant - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering. SUBSTANCE: plant has gas-turbine unit, steam turbine, exhaust-heat boiler with burner assembly and blast-air fan, booster gas compressor, electric generator, and external steam supply. Novelty is use of condensing steam turbine for starting and driving the plant which is rigidly coupled through common shaft with booster gas compressor and introduction of automatic disengaging clutch that couples common shaft of starting and driving turbine and booster compressor with gas-turbine rotor for feeding turbine with steam from external steam supply or from exhaust-heat boiler. Provision is made for accelerating gas-turbine rotor by starting and driving turbine to full speed followed by disengaging automatic clutch and raising turbine and compressor speed to level sufficient to ensure desired pressure of fuel gas upstream of combustion chamber of gas- turbine unit. In this way, steam section can function separately with gas turbine turned off. EFFECT: improved reliability and economic efficiency, simplified design of plant. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергетики, а точнее к энергетическим парогазовым установкам (ПГУ), использующим газообразное топливо. The invention relates to the field of energy, and more specifically to power combined cycle plants (CCGT) using gaseous fuel.

В большинстве случаев давление газа в подводящем газопроводе ниже требуемого для его подачи в камеры сгорания газотурбинных установок (ГТУ). Для повышения давления газа применяют дожимные газовые компрессоры. In most cases, the gas pressure in the supply gas pipeline is lower than that required for its supply to the combustion chambers of gas turbine units (GTU). Booster gas compressors are used to increase gas pressure.

Известны парогазовые установки, содержащие газотурбинную установку, паровой котел-утилизатор с горелочным устройством и дутьевым вентилятором, паровую турбину, конденсатор, снабженные дожимными газовыми компрессорами, приводимыми от электродвигателей. Из-за относительно невысоких оборотов приводных электродвигателей дожимные компрессоры имеют большие вес и габариты, как правило, размещаются в специальном помещении и связаны с камерой сгорания ГТУ протяженным газопроводом высокого давления. Этим определяются недостатки названных ПГУ - пониженные надежность, взрыво- и пожаро-безопасность, усложнение и удорожание установки. Known combined-cycle plants containing a gas turbine installation, a steam recovery boiler with a burner and a blower, a steam turbine, a condenser equipped with booster gas compressors driven by electric motors. Due to the relatively low revolutions of the drive electric motors, booster compressors have a large weight and dimensions, as a rule, are located in a special room and are connected to the gas turbine combustion chamber by an extended high-pressure gas pipeline. This determines the disadvantages of the named CCGT units - reduced reliability, explosion and fire safety, complication and rise in price of the installation.

Известна также комбинированная парогазовая установка, включающая ГТУ, паровой котел-утилизатор, паровую турбину, конденсатор, конденсатный насос, электрогенератор, редуктор, дожимной газовый компрессор. Also known is a combined combined cycle plant including a gas turbine unit, a steam recovery boiler, a steam turbine, a condenser, a condensate pump, an electric generator, a reducer, a booster gas compressor.

Роторы газотурбинной установки, электрогенератора и паровой турбины связаны общим валом через повышающий редуктор с ротором дожимного газового компрессора. Входной патрубок паровой турбины соединен паропроводами острого пара с котлом-утилизатором и внешним источником пароснабжения, а выхлопной патрубок - с конденсатором. Входной патрубок дожимного газового компрессора подсоединен к подводящему газопроводу, а его выходной патрубок связан газопроводом высокого давления с камерой сгорания ГТУ. Описанная ПГУ принята за прототип. Ее положительные качества: возможность пуска установки с раскруткой ротора ГТУ паровой турбиной, питаемой паром от внешнего источника с последующим переходом на питание паром от собственного котла-утилизатора, и, наконец, привод дожимного компрессора с повышенными оборотами от общего вала установки через повышающий редуктор. The rotors of a gas turbine installation, an electric generator, and a steam turbine are connected by a common shaft through a booster gearbox to the rotor of a booster gas compressor. The inlet pipe of a steam turbine is connected by steam lines of a sharp steam to a recovery boiler and an external source of steam supply, and the exhaust pipe is connected to a condenser. The inlet branch of the booster gas compressor is connected to the inlet gas pipe, and its outlet pipe is connected by a high pressure gas pipeline to the gas turbine combustion chamber. The described CCGT is taken as a prototype. Its positive qualities: the ability to start the installation with the promotion of the GTU rotor by a steam turbine powered by steam from an external source, followed by switching to steam supply from its own waste heat boiler, and, finally, the booster compressor drive with increased speeds from the installation common shaft through a booster gearbox.

Недостатком прототипа является наличие редуктора, снижающего надежность установки и увеличивающего ее стоимость. Кроме того, объединение общим валом ГТУ, паровой турбины, электрогенератора, редуктора и дожимного компрессора увеличивает осевые размеры ПГУ, исключает возможность автономной работы паровой части ПГУ при остановленной газотурбинной установке. The disadvantage of the prototype is the presence of a gearbox that reduces the reliability of the installation and increases its cost. In addition, the combination of a common gas turbine unit, a steam turbine, an electric generator, a gearbox and a booster compressor increases the axial dimensions of the CCGT unit, eliminates the possibility of autonomous operation of the steam unit of the CCGT unit when the gas turbine installation is stopped.

Предлагаемая комбинированная парогазовая установка устраняет указанные недостатки, упрощает конструкцию, повышает надежность и безопасность ПГУ, уменьшает ее стоимость. The proposed combined combined cycle plant eliminates these disadvantages, simplifies the design, increases the reliability and safety of CCGT, reduces its cost.

Указанные качества достигаются тем, что в предлагаемой комбинированной ПГУ дополнительно применены пускоприводная паровая турбина с конденсатором, горелочное устройство парового котла-утилизатора с дутьевым вентилятором, электрогенератор паровой турбины, дополнительные трубопроводы, связывающие горелочное устройство котла-утилизатора с подводящим газопроводом и пускоприводную паровую турбину с котлом-утилизатором и внешним паровым источником, автоматическая расцепная муфта. The indicated qualities are achieved by the fact that in the proposed combined combined cycle unit, a start-up steam turbine with a condenser, a burner device of a steam recovery boiler with a blower fan, an electric generator of a steam turbine, additional pipelines connecting the burner device of a recovery boiler with a supply gas pipeline and a start-up steam turbine to the boiler are additionally used -utilizer and external steam source, automatic coupler.

Последняя соединяет вал газотурбинной установки с объединенным валом пускоприводной паровой турбины и дожимного газового компрессора. Паровая турбина связана общим валом со своим электрогенератором. The latter connects the shaft of the gas turbine installation with the combined shaft of the start-drive steam turbine and the booster gas compressor. The steam turbine is connected by a common shaft with its electric generator.

На чертеже приведена схема комбинированной парогазовой установки, выполненной согласно изобретению. Она включает газотурбинную установку (1), электрогенераторы (2), паровой котел-утилизатор (3) с горелочным устройством (4), дутьевой вентилятор (5), дымовую трубу (6), пускоприводную паровую турбину (7) с конденсатором (8) и конденсатным насосом (9), дожимной газовый компрессор (10), энергетическую паровую турбину (11) с конденсатором (12) и конденсатным насосом (13). Котел-утилизатор соединен по пару трубопроводами, снабженными запорно-регулирующей арматурой, с пускоприводной и энергетической паровыми турбинами. Они подсоединены по острому пару также и к внешнему источнику пароснабжения, а по отработавшему пару к конденсаторам (8) и (12). Последние через конденсатные насосы (9) и (13) связаны по конденсату с поверхностью нагрева котла-утилизатора (3). Горелочное устройство (4) котла-утилизатора (3) связано трубопроводом, снабженным запорной арматурой, с подводящим газопроводом (14). Входной патрубок дожимного компрессора (10) подключен к газопроводу (14), а выходной связан через запорно-регулирующую арматуру газопроводом высокого давления с камерой сгорания газотурбинной установки (1). Автоматическая расцепная муфта (15) соединяет вал ГТУ (1) с общим валом пускоприводной паровой турбины (7) и дожимного газового компрессора (10). The drawing shows a diagram of a combined cycle plant, made according to the invention. It includes a gas turbine unit (1), electric generators (2), a waste heat boiler (3) with a burner (4), a blower fan (5), a chimney (6), a start-up steam turbine (7) with a condenser (8) and a condensate pump (9), a booster gas compressor (10), an energy steam turbine (11) with a condenser (12) and a condensate pump (13). The waste heat boiler is connected in a pair by pipelines equipped with shut-off and control valves, with start-up and power steam turbines. They are connected in a sharp pair also to an external source of steam supply, and in the spent pair to capacitors (8) and (12). The latter are connected via condensate pumps (9) and (13) through condensate to the heating surface of the recovery boiler (3). The burner device (4) of the recovery boiler (3) is connected by a pipeline equipped with shutoff valves with a supply gas pipeline (14). The inlet pipe of the booster compressor (10) is connected to the gas pipe (14), and the output pipe is connected through shut-off and control valves with a high pressure gas pipe to the combustion chamber of the gas turbine unit (1). An automatic trip clutch (15) connects the GTU shaft (1) with the common shaft of the steam-driven steam turbine (7) and the booster gas compressor (10).

Предлагаемая комбинированная парогазовая установка работает следующим образом. Пуск установки можно осуществлять двумя способами - подавая пар на пускоприводную паровую турбину (7) от котла-утилизатора (3) или от внешнего источника пароснабжения. В первом случае дутьевым вентилятором (5) подают воздух в горелочное устройство (4) котла-утилизатора (3) и топливный газ из подводящего газопровода (14). Пар, вырабатываемый котлом-утилизатором (3), подводят по паропроводу через запорно-регулирующую арматуру к пускоприводной паровой турбине (7), прогревают ее, а затем пускают. Отработавший пар конденсируется в конденсаторе (8). Конденсат этого пара конденсатным насосом (9) подается в поверхности нагрева котла-утилизатора (3). The proposed combined combined cycle plant operates as follows. The installation can be started in two ways - by supplying steam to the start-drive steam turbine (7) from the recovery boiler (3) or from an external source of steam supply. In the first case, the blower fan (5) supplies air to the burner device (4) of the recovery boiler (3) and fuel gas from the supply gas pipe (14). The steam generated by the recovery boiler (3) is fed through the steam line through the shut-off and control valves to the start-up steam turbine (7), it is heated, and then it is started. The exhaust steam condenses in the condenser (8). The condensate of this steam by a condensate pump (9) is supplied to the heating surface of the recovery boiler (3).

Увеличивая расход пара на пускоприводную турбину (7) пускают дожимной газовый компрессор (10) и через автоматическую расцепную муфту (15) ротор газотурбинной установки (1). Увеличивая частоту вращения пускоприводной паровой турбины (7) обеспечивают раскрутку ротора ГТУ (1) и выход ее на уровень пусковых оборотов. При этом возрастает также давление газа, создаваемое дожимным компрессором (10). Открывают запорно-регулирующую арматуру, подводят топливный газ от дожимного компрессора (10) к камере сгорания ГТУ (1) и зажигают его. После выхода ротора ГТУ на уровень пусковых оборотов муфта (15) автоматически расцепляется. Дальнейшее увеличение оборотов ГТУ, синхронизацию генератора и набор электрической нагрузки генератором ГТУ производят, увеличивая расход топливного газа в камеру сгорания. Расход продуктов сгорания ГТУ в котел-утилизатор (3) увеличивается, его паропроизводительность возрастает. Дутьевой вентилятор (5) останавливают и прекращают подачу топливного газа к горелочному устройству (4) котла-утилизатора (3). Параллельно с этим производят прогрев, пуск и выход на рабочий режим энергетической паровой турбины (11). Отработавший пар энергетической турбины (11) конденсируется в конденсаторе и конденсатным насосом подается в поверхности нагрева котла-утилизатора (3). Increasing the steam flow rate to the start-up turbine (7), the booster gas compressor (10) is launched and the rotor of the gas-turbine unit (1) through an automatic trip clutch (15). By increasing the rotation frequency of the start-drive steam turbine (7), they ensure the promotion of the GTU rotor (1) and its output to the level of starting revolutions. At the same time, the gas pressure created by the booster compressor (10) also increases. The shut-off and control valves are opened, fuel gas is supplied from the booster compressor (10) to the gas turbine combustion chamber (1) and ignited. After the GTU rotor reaches the level of starting revolutions, the coupling (15) is automatically disengaged. A further increase in gas turbine engine speed, generator synchronization, and an electric load are generated by the gas turbine generator by increasing the consumption of fuel gas in the combustion chamber. The consumption of GTU combustion products in the waste heat boiler (3) increases, its steam production increases. The blower fan (5) stops and stops the supply of fuel gas to the burner device (4) of the recovery boiler (3). In parallel with this, warm-up, start-up and operation of the energy steam turbine are carried out (11). The exhaust steam of the energy turbine (11) is condensed in the condenser and the condensate pump is fed to the heating surface of the recovery boiler (3).

После отсоединения общего вала пускоприводной турбины (7) и дожимного компрессора (10) автоматической муфтой (15) от ротора ГТУ увеличивают подачу пара на турбину (7) и доводят ее обороты до рабочих (10000 - 12000 об/мин), чем обеспечивается создание дожимным компрессором (10) необходимого рабочего давления топливного газа в камере сгорания ГТУ (1) и достижение генератором (2) ГТУ номинальной мощности. After disconnecting the common shaft of the start-up turbine (7) and booster compressor (10) by an automatic clutch (15) from the GTU rotor, the steam supply to the turbine (7) is increased and its speed is increased to working (10,000 - 12,000 rpm), which ensures the creation of a booster compressor (10) of the required working pressure of the fuel gas in the gas turbine combustion chamber (1) and the generator (2) reaches the gas turbine rated power.

По второму варианту пуск установки осуществляют, подводя пар к пускоприводной турбине (7) от внешнего источника. В этом случае горелочное устройство (4) котла-утилизатора (3) не используется. Предлагаемая комбинированная парогазовая установка имеет ряд преимуществ перед известными, в том числе и перед прототипом. К ним относятся повышение надежности и экономичности ПГУ, упрощение конструкции, возможности автономной работы паровой части при остановленной газовой турбине. Это достигается применением высокооборотных пускоприводной паровой турбины и дожимного газового компрессора, автоматической расцепной муфты, горелочного устройства котла-утилизатора. According to the second variant, the installation is started up by supplying steam to the starting-drive turbine (7) from an external source. In this case, the burner device (4) of the recovery boiler (3) is not used. The proposed combined-cycle plant has several advantages over the well-known, including the prototype. These include improving the reliability and efficiency of CCGT, simplifying the design, the possibility of autonomous operation of the steam unit when the gas turbine is stopped. This is achieved by using a high-speed start-up steam turbine and a booster gas compressor, an automatic trip clutch, and a burner of a waste heat boiler.

Claims (1)

Парогазовая установка, включающая газотурбинную установку с электрогенератором, паровой котел-утилизатор с горелочным устройством и дутьевым вентилятором, паровую турбину с конденсатором и электрогенератором, дожимной газовый компрессор, конденсатный насос, подводящий трубопровод топливного газа, паропроводы, связывающие паровую турбину по острому пару с котлом утилизатором и внешним источником пароснабжения, газопровод высокого давления, соединяющий выходной патрубок дожимного компрессора с камерой сгорания газотурбинной установки, трубопровод, связывающий по конденсату конденсатор паровой турбины через конденсатный насос с котлом-утилизатором, запорные и регулирующие органы на газопроводах и паропроводах, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена пускоприводной паровой турбиной с конденсатором и конденсатным насосом, ротор которой связан общим валом с ротором дожимного газового компрессора, и через дополнительную автоматическую расцепную муфту с ротором газотурбинной установки, с возможностью увеличения числа оборотов пускоприводной турбины до 10000 - 12000 оборотов в минуту и привода дожимного газового компрессора при расцепленной автоматической муфте, пускоприводная парвоая турбина связана паропроводами острого пара, снабженными запорной и регулирующей арматурой, с котлом-утилизатором и внешним источником пароснабжения, а по отработавшему пару с конденсатором, последний соединен трубопроводом через конденсатный насос с котлом-утилизатором. Combined-cycle plant, including a gas turbine unit with an electric generator, a steam recovery boiler with a burner and a blower fan, a steam turbine with a condenser and an electric generator, a booster gas compressor, a condensate pump, a fuel gas supply pipe, steam pipelines connecting a steam turbine with a sharp steam to the recovery boiler and an external source of steam supply, a high pressure gas pipeline connecting the outlet pipe of the booster compressor with the combustion chamber of the gas turbine vkv, a pipeline connecting the condenser of a steam turbine through a condensate pump with a waste heat boiler, shut-off and regulating bodies on gas pipelines and steam pipelines, characterized in that it is additionally equipped with a start-up steam turbine with a condenser and a condensate pump, the rotor of which is connected by a common shaft with the booster rotor gas compressor, and through an additional automatic disconnect clutch with the rotor of a gas turbine installation, with the possibility of increasing the number of revolutions of the start-up turbine to 10,000 - 12,000 rpm and a booster gas compressor drive with an automatic clutch disengaged, the start-up steam turbine is connected by a pair of hot steam, equipped with shut-off and control valves, to a recovery boiler and an external source of steam supply, and through the spent steam to a condenser, the latter is connected by a pipeline through a condensate pump with a waste heat boiler.