RU2258147C1 - Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах - Google Patents
Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах Download PDFInfo
- Publication number
- RU2258147C1 RU2258147C1 RU2003137677/06A RU2003137677A RU2258147C1 RU 2258147 C1 RU2258147 C1 RU 2258147C1 RU 2003137677/06 A RU2003137677/06 A RU 2003137677/06A RU 2003137677 A RU2003137677 A RU 2003137677A RU 2258147 C1 RU2258147 C1 RU 2258147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steam
- turbine
- gas
- recuperator
- fuel
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок (ГТУ), потребляющих в качестве энергетического газотурбинного топлива в основном природный газ. В известном способе частичного замещения энергетического газотурбинного топлива, согласно которому сжатый компрессором ГТУ воздух перед подачей в камеру сгорания предварительно подогревают в рекуператоре перегретым паром, генерируемым в паровом котле при сжигании замещающего топлива, согласно изобретению в рекуператор подают пар непосредственно после парового котла, а после рекуператора по меньшей мере часть пара перегревают повторно, по меньшей мере выхлопными газами ГТУ до требуемой потребителем температуры, например, температуры подачи пара в турбину. При этом пар перед подачей в рекуператор согласно изобретению может быть перегрет до температуры выше требуемой потребителем. Кроме того, часть перегретого повторно пара может быть направлена в камеру сгорания для использования в смеси с продуктами сгорания газотурбинного топлива в качестве рабочего тела ГТУ. Изобретение позволяет осуществить применение вместо природного газа менее ценных и непригодных для других сфер использования зольных энергетических топлив (в основном, углей). 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании и модернизации энергетических газотурбинных установок (ГТУ), потребляющих органическое топливо.
Большинство современных ГТУ принадлежат к типу так называемых простых ГТУ, реализующих простой термодинамический цикл (без промежуточного охлаждения воздуха и дополнительного подогрева рабочего тела) и выполнены одновальными с блочной компоновкой турбомашин. Простые ГТУ в настоящее время имеют широкий диапазон единичной мощности, высокую надежность и маневренность, характеризуются относительной простотой производства, монтажа и эксплуатации, умеренной удельной стоимостью. При начальных параметрах, обеспечивающих максимум удельной мощности и электрический КПД более 30% такие ГТУ получили широкое распространение в зарубежной и отечественной энергетике как самостоятельно, так и для осуществления когенерации (ГТУ-ТЭЦ) и в комбинированных циклах, реализующихся в различного типа парогазовых установках (ПГУ).
Вместе с тем надежно, устойчиво, длительно, экономично и экологически безопасно современные ГТУ могут работать только на используемом в качестве энергетического газотурбинном топливе - природном газе или, в качестве резерва, на высококалорийном жидком топливе типа дизельного, тогда как перед теплоэнергетикой ставится задача применения вместо природного газа менее ценных и непригодных для других сфер использования зольных энергетических топлив (в основном углей).
Известен способ замещения энергетического газотурбинного топлива углем, согласно которому уголь подвергают внутрицикловой газификации с выработкой синтетического газа, используемого в качестве газотурбинного топлива [1] - аналог. Это позволяет произвести полное замещение газотурбинного топлива зольным. Однако такая радикальная возможность промышленно осуществима лишь в среднесрочной перспективе (не ранее чем через 15-20 лет). При этом вследствие высокой капиталоемкости такого решения экономически оправданным оно оказывается только для вновь строящихся ПГУ на базе наиболее мощных, экономичных, узкоспециализированных ГТУ, которые пока не созданы. Поскольку потребность в таких ПГУ относительно невелика, количество природного газа, потребляемого в газотурбинной энергетике, при газификации угля практически не изменится.
Известен способ замещения газотурбинного энергетического топлива зольным, согласно которому продуктами сгорания последнего нагревают сжатый воздух в воздушном котле, направляя его в газовую турбину в качестве рабочего тела [2] - аналог.
Однако при высокой температуре воздуха, необходимой для его использования в качестве рабочего тела, сооружение из жаропрочного материала громоздкого воздушного котла и тракта подачи воздуха в газовую турбину оказывается неоправданно дорогостоящим. Из-за значительных капиталозатрат длительный срок их окупаемости не сможет быть оправдан повышением основных показателей ГТУ на замещающем топливе. Кроме того, высокая степень разветвленности сети подвода, нагрева и отвода воздуха из котла приведет к существенному возрастанию потерь давления воздуха, а подвод воздуха к котлу и отвод от него нарушают рациональную компоновку турбомашин ГТУ, увеличивая ее металлоемкость и ухудшая маневренные свойства.
Известен наиболее близкий по техническому существу и достигаемому результату способ частичного замещения энергетического газотурбинного топлива в энергетических циклах, согласно которому сжатый компрессором ГТУ воздух предварительно подогревают в рекуператоре перегретым паром, генерируемым в паровом котле при сжигании, по меньшей мере, замещающего топлива, и окончательно нагревают сжатый воздух в камере сгорания ГТУ при сжигании газотурбинного топлива [3] - прототип. Этот способ, однако, приводит к снижению мощности паровой турбины, от которой согласно [3] отбирается пар для подогрева воздуха. Кроме того, подогрев воздуха этим паром в рекуператоре осуществляют за счет скрытой теплоты парообразования. Это требует создания рекуператора конденсационного типа, но с внутренним давлением существенно выше атмосферного. Такому аппарату присущи большая масса, большие габариты, и, следовательно, он должен быть выполнен в виде отдельного выносного блока, нарушающего современную моноблочную компоновку турбомашин ГТУ. Для высокотемпературного нагрева сжатого воздуха согласно [3] предусматривается использование в качестве промежуточного теплоносителя жидкого металла. Однако применение жидкометаллического теплоносителя на электростанциях общего назначения связано со значительным увеличением стоимости электростанции, а также со снижением надежности и безопасности ее эксплуатации.
Достигаемым результатом изобретения является сохранение весомой степени замещения газотурбинного топлива рядовым при повышении надежности энергетической установки за счет исключения контура с жидкометаллическим теплоносителем, меньшее снижение ее мощности за счет возврата потребителю использованного теплоносителя в виде пара номинального потенциала, а также сохранение преимуществ современных простых ГТУ.
Указанный результат обеспечивается тем, что в способе частичного замещения энергетического газотурбинного топлива в энергетических циклах, согласно которому сжатый компрессором ГТУ воздух предварительно подогревают в рекуператоре перегретым паром, генерируемым в паровом котле при сжигании, по меньшей, мере замещающего топлива, и окончательно нагревают сжатый воздух в камере сгорания ГТУ при сжигании газотурбинного топлива, согласно изобретению в рекуператор подают пар непосредственно после парового котла, а после рекуператора, по меньшей мере, часть пара перегревают повторно, по меньшей мере, выхлопными газами ГТУ до требуемой потребителю температуры.
Пар перед подачей в рекуператор согласно изобретению может быть перегрет до температуры выше требуемой потребителю.
При сочетании ГТУ и паротурбинной установки (ПТУ) с промежуточным перегревом пара в котле, согласно изобретению, в рекуператор может быть подан промежуточно перегретый пар.
При сочетании ГТУ и ПТУ с противодавленческой турбиной мятый пар от последней предварительно может быть перегрет в паровом котле, после чего полученный перегретый пар направляют в рекуператор.
Часть перегретого повторно пара может быть направлена в камеру сгорания для использования в смеси с продуктами сгорания газотурбинного топлива в качестве рабочего тела ГТУ.
Осуществление способа согласно изобретению для различных условий применения энергетических ГТУ иллюстрируется чертежами фиг.1-4. На фиг.1 представлена схема ГТУ-ТЭЦ (без паровой турбины) с автономным паровым котлом и котлом-утилизатором; на фиг.2 - то же, но без котла-утилизатора - со сбросом выхлопных газов в топку автономного котла; на фиг.3 - схема парогазовой установки (ПГУ) с промежуточным перегревом пара между цилиндром высокого давления (ЦВД) и цилиндром низкого давления (ЦНД) конденсационной паровой турбины; на фиг.4 - то же, но с противодавленческой паровой турбиной, которая может дополняться одноцилиндровой конденсационной паровой турбиной (показана пунктиром).
На всех фигурах приняты следующие буквенные обозначения:
а - атмосферный воздух,
b1 - перегретый пар на входе в рекуператор,
c1 - замещающее топливо,
c2 - энергетическое газотурбинное топливо,
d - выхлопные газы ГТУ,
е - уходящие газы,
f - питательная вода котлов,
g - пар к потребителям: g1 - к внешнему потребителю,
g2 - к камере сгорания ГТУ, g3 - к паровой турбине ПТУ,
h - конденсат.
Энергетическая установка (фиг.1-4) содержит составляющие ГТУ: воздушный компрессор 1, газовую турбину 2, камеру 3 сгорания, рекуператор 4 с теплообменной поверхностью 4.1 и электрогенератор 5.1, а также составляющие ПТУ: автономный паровой котел 6 с поверхностью нагрева 6.1 (включая испарительную часть и первичный пароперегреватель), водяным экономайзером 6.2 (фиг.3, 4), промежуточным пароперегревателем 6.3 (фиг.3) и пароперегревателем 6.4 дополнительного повторного перегрева (фиг.4). Выхлопные газы d из газовой турбины 2 могут сбрасываться в автономный паровой котел 6 (фиг.2). Установка содержит также отдельный котел-утилизатор 7 с водяным экономайзером 7.1 и пароперегревателем 7.2 повторного перегрева (фиг.1,3,4). В варианте фиг.3 ПТУ содержит также паровую конденсационную турбину 8 с ЦВД 8.1 и ЦНД 8,2. В варианте фиг.4 ПТУ содержит противодавленческую турбину 8.3 и дополнительно может содержать одноцилиндровую конденсационную турбину 8. Каждая конденсационная турбина 8 (фиг.3,4) снабжена конденсатором 9 отработавшего пара. В каждом варианте ПТУ содержится электрогенератор 5.2.
Энергетическая установка, реализующая способ согласно изобретению, работает следующим образом. Атмосферный воздух а после сжатия в компрессоре 1 направляется в рекуператор 4, где предварительно подогревается теплотой перегретого пара b1, поступающего в рекуператор непосредственно после автономного парового котла 6, в котором сжигается замещающее (например, твердое) топливо c1. При этом пар может генерироваться в поверхностях нагрева 7.1 и 6.1 соответственно котла-утилизатора 7 и автономного котла 6 (фиг.1, 3, 4) или только в автономном котле 6 при сжигании в нем замещающего топлива c1 со сбросом в него выхлопных газов d газовой турбины 2 (фиг.2). Благодаря подогреву воздуха в рекуператоре 4 за счет теплоты продуктов сгорания замещающего топлива c1 расход энергетического газотурбинного топлива c2 в камере 3 сгорания сокращается. Смесь продуктов сгорания энергетического газотурбинного топлива с нагретым воздухом из камеры 3 сгорания поступает в качестве рабочего тела в газовую турбину 2, которая совершает механическую работу, часть которой расходуется на привод компрессора 1, а другая - на привод электрогенератора 5.1. Выхлопные газы d направляются в котел-утилизатор 7 (фиг.1,3,4) или сбрасываются в автономный паровой котел 6 (фиг.2). Уходящие газы е из автономного котла 6 и котла-утилизатора 7 через дымовую трубу (не показана) удаляются в атмосферу часть пара после передачи части теплоты поступающему в рекуператор 4 воздуху перегревается повторно по меньшей мере выхлопными газами ГТУ в пароперегревателе 7.2 котла-утилизатора 7 (фиг.1) или в пароперегревателе 6.3 автономного котла 6 при сбросе в него выхлопных газов d газовой турбины 2 (фиг.2). Дополнительно пар может повторно перегреваться в пароперегревателе 6.4 автономного котла 6 (фиг.4). При этом в вариантах ГТУ-ТЭЦ, не имеющих паровых турбин (фиг.1, 2) повторно перегретый пар g2 можно подать в камеру 3 сгорания ГТУ для использования совместно с продуктами сгорания в качестве рабочего тела газотурбинного цикла. В варианте с конденсационной паровой турбиной 8, имеющей промежуточный перегрев пара (фиг.3), в рекуператор 4 направляется весь пар b1 из промежуточного пароперегревателя 6.3, а прошедший рекуператор 4 пар g3 из пароперегревателя 7.2 повторного перегрева подается в ЦНД 8.2 конденсационной турбины 8. В варианте ПГУ-ТЭЦ с паровой турбиной 8.3 мятого пара и возможной (в случае значительного ограничения теплопотребления) установкой конденсационной турбины 8 (фиг.4) охлажденный в рекуператоре 4 пар b1, как уже отмечалось выше, повторно перегревается с использованием двух ступеней перегрева. Первая ступень перегрева реализуется пароперегревателем 7.2, вторая - дополнительным пароперегревателем 6.4, обеспечивающим дополнительное снижение расхода газотурбинного топлива. После пароперегревателя 7.2 пар g3 можно направить в конденсационную турбину 8, а после дополнительного пароперегревателя 6.4 пар g2 - в камеру 3 сгорания ГТУ. Предусмотрена возможность частичной отдачи пара g1 после рекуператора 4 внешнему потребителю до повторного перегрева (фиг.1, 2, 4).
Таким образом, во всех приведенных вариантах реализации способа согласно изобретению обеспечивается экономия ценного газотурбинного топлива путем частичного замещения его сжигаемым в паровом котле более доступным для энергетики твердым (зольным) топливом, например углем, с передачей части выделяемой при сжигании этого топлива теплоты с помощью промежуточного теплоносителя (перегретого пара) из паровой в газотурбинную часть энергетического цикла.
Применение способа согласно изобретению не ограничивается, как в случае газификации, уровнем единичной мощности или экономичностью ГТУ, а его эффективность определяется в конечном счете располагаемыми разностью начальных температур пара и воздуха и соотношением их расходов в рекуператоре. При этом частичное замещение газотурбинного топлива c2 согласно изобретению не ограничено условиями внешнего теплопотребления пара g1 и стабилизируется благодаря неизменному расходу греющего пара b1 в рекуператоре: при снижении теплопотребления излишки пара g2 используют как дополнительное рабочее тело ГТУ. Как показали расчеты, такой способ на современных электростанциях позволяет экономить не менее 20% энергетического газотурбинного топлива, что может представить весьма существенную величину для всего располагаемого парка энергетических ГТУ.
Эффективность способа или доля замещаемого газотурбинного топлива незначительно снижается из-за потерь, возникающих при его осуществлении: потерь давления воздуха и пара в рекуператоре и потери от уменьшения расхода рабочих газов, пропорциональной доле замещаемого топлива. Однако эти потери не превышают потерь при равном по величине рекуперативном подогреве воздуха выхлопными газами ГТУ в то время, как удельная поверхность паровоздушного рекуператора значительно меньше благодаря высокому давлению не только воздуха, но и греющего пара. Это позволяет выполнить рекуператор компактным, менее металлоемким и размещать его без нарушения существующей компоновки турбомашин современных ГТУ. В итоге ценой потери нескольких процентов мощности (исходной экономичности) ГТУ сокращается на десятки процентов потребность в газотурбинном топливе (природном газе), которое замещается углем.
Источники информации
1. Проект и опыт эксплуатации газовых турбин V94 на природном и синтетическом газе. - Б.Беккер. - Эффективное оборудование и новые технологии - в российскую энергетику. Сборник докладов под общей редакцией чл.-корр. РАН Ольховского Г.Г., ВТИ, 2001, с.185.
2. Основы теплоэнергетики. А.М.Литвин, издание седьмое. М.: Энергия, 1973, с.145.
3. Патент РФ №1521284, 4 F 01 K 23/10, 1985.
Claims (5)
1. Способ частичного замещения энергетического газотурбинного топлива в энергетическом цикле, газотурбинная часть которого обеспечивает последовательное сжатие воздуха в компрессоре газотурбинной установки (ГТУ), его предварительный подогрев паром в рекуператоре перед камерой сгорания, в которой производят окончательный нагрев сжатого воздуха при сжигании газотурбинного топлива, и расширение образованного рабочего тела в турбине, а паровая часть которого обеспечивает генерацию перегретого пара за счет утилизации выхлопного тепла ГТУ, сжигания, по меньшей мере, замещающего топлива в котле с, по меньшей мере, одним пароперегревателем, подачу образованного пара в турбину и в рекуператор, отличающийся тем, что в рекуператор подают, по меньшей мере, часть пара из пароперегревателя котла, а после рекуператора, по меньшей мере, часть пара до подачи в турбину перегревают повторно, по меньшей мере, выхлопными газами ГТУ.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар перед подачей в рекуператор перегревают до температуры выше требуемой для его подачи в турбину.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании паровой части цикла с промежуточным перегревом пара в рекуператор подают весь пар из промежуточного перегревателя котла.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании паровой части цикла с получением мятого пара, последний предварительно перегревают в котле.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть перегретого повторно пара направляют в камеру сгорания для использования в смеси с продуктами сгорания газотурбинного топлива в качестве рабочего тела ГТУ.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003137677/06A RU2258147C1 (ru) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003137677/06A RU2258147C1 (ru) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003137677A RU2003137677A (ru) | 2005-06-10 |
RU2258147C1 true RU2258147C1 (ru) | 2005-08-10 |
Family
ID=35833913
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003137677/06A RU2258147C1 (ru) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2258147C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540210C2 (ru) * | 2009-11-27 | 2015-02-10 | Нуово Пиньоне С.п.А. | Способ управления режимом работы газовой турбины на основе температуры выхлопного газа и газовая турбина |
RU2555609C2 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Способ работы парогазовой энергетической установки и устройство для его осуществления |
-
2003
- 2003-12-29 RU RU2003137677/06A patent/RU2258147C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540210C2 (ru) * | 2009-11-27 | 2015-02-10 | Нуово Пиньоне С.п.А. | Способ управления режимом работы газовой турбины на основе температуры выхлопного газа и газовая турбина |
RU2555609C2 (ru) * | 2013-08-15 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет | Способ работы парогазовой энергетической установки и устройство для его осуществления |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003137677A (ru) | 2005-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5623822A (en) | Method of operating a waste-to-energy plant having a waste boiler and gas turbine cycle | |
US6167706B1 (en) | Externally fired combined cycle gas turbine | |
US4414813A (en) | Power generator system | |
US7770376B1 (en) | Dual heat exchanger power cycle | |
CA1222668A (en) | Power plant integrating coal-fired steam boiler with air turbine | |
US6223523B1 (en) | Method of operating a power station plant | |
KR100363071B1 (ko) | 가스터빈및증기터빈플랜트와그리고가스터빈및증기터빈플랜트를작동시키기위한방법 | |
RU2009333C1 (ru) | Комбинированная парогазовая энергетическая установка и способ ее эксплуатации | |
CA1314713C (en) | Gas turbine power plant fired by a water-bearing fuel and method for utilizing the heat value of said fuel | |
JPH09170404A (ja) | 発電方法および装置 | |
SU1521284A3 (ru) | Энергетическа установка | |
Guarinello Jr et al. | Thermoeconomic evaluation of a gas turbine cogeneration system | |
RU101090U1 (ru) | Энергетическая надстроечная парогазовая установка (варианты) | |
CZ26344U1 (cs) | Zařízení pro výrobu elektřiny z pevných paliv, využívající plynovou turbínu | |
Ohji et al. | Steam turbine cycles and cycle design optimization: the Rankine cycle, thermal power cycles, and integrated gasification-combined cycle power plants | |
RU2258147C1 (ru) | Способ замещения газотурбинного топлива в энергетических циклах | |
RU2747704C1 (ru) | Когенерационная газотурбинная энергетическая установка | |
RU2611138C1 (ru) | Способ работы парогазовой установки электростанции | |
JPH1113488A (ja) | 蒸気冷却型ガスタービンを用いた排気再燃コンバインドプラント | |
RU167924U1 (ru) | Бинарная парогазовая установка | |
WO2010057279A1 (en) | High efficiency waste to energy power plants combining municipal solid waste and natural gas | |
KR20060069852A (ko) | 증기 발전기 | |
JPH10325336A (ja) | ガスタービン発電システム | |
RU2769044C1 (ru) | Парогазовая установка с паротурбинным приводом компрессора и высоконапорным парогенератором с промежуточным пароперегревателем | |
RU2775732C1 (ru) | Кислородно-топливная энергоустановка |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071230 |