RU2272915C1 - Method of operation of gas-steam plant - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering; ship engines.

SUBSTANCE: according to proposed method atmospheric air is compressed, contactly cooled and regeneratively heated by heat of waste steam-gas mixture, and fuel is combusted in said air with supply of power-generating steam flow into fuel combustion zone. Steam-gas mixture, thus formed, is expanded and useful work of expansion is used for compressing air and executing external work, generating electric energy for driving different mechanisms, for instance, vehicles. heat of steam-gas mixture, after expansion and regenerative removal of heat, is recovered for generation of steam, steam-gas mixture is cooled, its steam component is condensed and condensate, thus formed, is cooled and used for cooling and condensing of steam-gas mixture. Cooling of compressed moistened air is carried out at its contact with water in saturated state, or with saturated water vapor formed at recovery of heat of waste steam-gas mixture, and overheated steam is used as power-generating steam flow and for cooling of steam-gas turbine.

EFFECT: increased thermal economy of gas-steam plant.

2 dwg

Description

Способ работы газопаровой установки относится к области энергетики и может быть применен в электроэнергетике и при создании экономичных судовых двигателей.The method of operation of a gas-steam installation relates to the field of energy and can be applied in the electric power industry and in the creation of economical marine engines.

Известен способ работы газопаротурбинной установки, согласно которому сжимают атмосферный воздух, распыливают в нем подогретую воду и снижают температуру полученной паровоздушной смеси, затем ее нагревают в поверхностном теплообменнике-регенераторе за счет теплоты потока парогазовой смеси, подводят и сжигают в паровоздушной смеси топливо. Полученную парогазовую смесь расширяют в парогазовой турбине, частично охлаждают ее в регенераторе, подогревая паровоздушную смесь, и далее сбрасывают парогазовую смесь в атмосферу (См. книгу. Н.А.Дикий. Судовые газопаротурбинные установки. Изд-во «Судостроение», Ленинград, 1978. Рис.65, стр.123, 124).There is a known method of operation of a gas-steam turbine installation, according to which atmospheric air is compressed, heated water is sprayed in it and the temperature of the obtained steam-air mixture is reduced, then it is heated in the surface heat exchanger-regenerator due to the heat of the steam-gas mixture flow, fuel is supplied and burned in the steam-air mixture. The resulting steam-gas mixture is expanded in a steam-gas turbine, partially cooled in a regenerator, heating the steam-air mixture, and then the steam-gas mixture is discharged into the atmosphere (See book. N.A.Dikiy. Ship gas-steam-turbine installations. Publishing house "Sudostroenie", Leningrad, 1978 Fig. 65, p. 123, 124).

Наиболее близким по технической сущности является способ работы газопаровой установки «Водолей», согласно которому сжимают атмосферный воздух, сжигают в нем топливо, в продукты сгорания подают «экологический» и «энергетический» потоки пара. Парогазовую смесь последовательно расширяют в турбинах высокого и низкого давления, полезную работу турбины высокого давления используют для сжатия воздуха, турбины низкого давления - для привода электрогенератора и выработки электроэнергии.The closest in technical essence is the method of operation of the Aquarius gas-steam installation, according to which atmospheric air is compressed, fuel is burned in it, “ecological” and “energy” steam flows are fed into the combustion products. The gas-vapor mixture is sequentially expanded in high and low pressure turbines, the useful work of the high pressure turbine is used to compress air, the low pressure turbine is used to drive an electric generator and generate electricity.

Теплоту отработавшей парогазовой смеси утилизируют для генерации перегретого пара, который используют для впрыска в сжатый воздух и в зону горения топлива. За счет «экологического» впрыска пара в сжатый воздух сокращают образование в продуктах сгорания оксидов азота, «энергетический» впрыск пара обеспечивает увеличение мощности парогазовых турбин высокого и низкого давлений. В парогазовую смесь, частично охлажденную при генерации пара, впрыскивают охлаждающую воду с температурой 20-30°С и конденсируют паровую составляющую парогазовой смеси, сепарируют смесь конденсата пара и оросительной воды, продукты сгорания топлива отводят в атмосферу. Сепарированную воду разделяют на два потока, меньший поток используют в качестве питательной воды для генерации пара при утилизации теплоты отработавшей в турбинах парогазовой смеси, ее больший поток охлаждают в теплообменной установке и впрыскивают в парогазовую смесь для конденсации ее паровой составляющей. Теплоту охлаждения большего потока сепарированной воды отводят теплоносителем в системе охлаждения, а также могут использовать для подогрева подпиточной воды или сетевой воды тепловой сети («Романов В.И., Кривуца В.А. Комбинированная газопаровая установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока. "Теплоэнергетика" №4, 1966, Каталог газотурбинного оборудования, 2003-2004 г., стр.173, 174, рис.16, с.27-30. «Газотурбинные технологии»).The heat of the spent vapor-gas mixture is utilized to generate superheated steam, which is used for injection into compressed air and into the fuel combustion zone. Due to the "ecological" injection of steam into compressed air, the formation of nitrogen oxides in the combustion products is reduced, the "energy" injection of steam provides an increase in the power of high-pressure and low-pressure combined-cycle turbines. Cooling water with a temperature of 20-30 ° С is injected into a gas-vapor mixture partially cooled during steam generation and the steam component of the gas-vapor mixture is condensed, a mixture of steam condensate and irrigation water is separated, and the products of fuel combustion are vented to the atmosphere. The separated water is divided into two streams, a smaller stream is used as feed water to generate steam when utilizing the heat of the gas-vapor mixture exhausted in the turbines, its larger stream is cooled in a heat exchanger and injected into the gas-vapor mixture to condense its vapor component. The heat of cooling of a larger stream of separated water is removed by the coolant in the cooling system, and can also be used to heat make-up water or network water of the heating network (“Romanov V.I., Krivutsa V.A. Combined gas-steam installation with a capacity of 16-25 MW with waste heat recovery gases and water regeneration from a steam-gas stream. "Heat engineering" No. 4, 1966, Catalog of gas-turbine equipment, 2003-2004, p. 173, 174, Fig. 16, p. 27-30. "Gas-turbine technologies").

При описанном способе работы за счет утилизации теплоты паровой составляющей парогазовой смеси обеспечивают повышение тепловой экономичности газопаровой установки. В то же время этот способ без повышения начальной температуры газа не позволяет дополнительно повысить тепловую экономичность газопаровой установки.With the described method of operation, due to the heat recovery of the steam component of the gas-vapor mixture, the thermal efficiency of the gas-steam installation is increased. At the same time, this method without increasing the initial gas temperature does not allow to further increase the thermal efficiency of the gas-steam installation.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа работы, позволяющего обеспечить дополнительное повышение тепловой экономичности газопаровой установки.The objective of the proposed technical solution is to develop a method of work that allows to provide an additional increase in thermal efficiency of a gas-steam installation.

Задачу решают за счет способа работы газопаровой установки, согласно которому перед сжатием атмосферный воздух очищают от пыли, увлажняют и охлаждают, распыливая в нем конденсат паровой составляющей парогазовой смеси, сжимают увлажненный воздух, контактно охлаждают и регенеративно подогревают его теплотой отработавшей парогазовой смеси, сжигают в нем топливо, в зону горения топлива подают «энергетический» поток пара, полученную парогазовую смесь расширяют, полезную работу расширения используют для сжатия воздуха и совершения внешней работы, выработки электроэнергии для привода различных механизмов, например транспортных средств; теплоту парогазовой смеси после ее расширения и регенеративного отвода тепла утилизируют для генерации пара, охлаждают парогазовую смесь, конденсируют ее паровую составляющую, охлаждают полученный конденсат и используют его для охлаждения и конденсации парогазовой смеси, причем охлаждение сжатого увлажненного воздуха производят при его контакте с водой в состоянии насыщения или с насыщенным водяным паром, полученными при утилизации теплоты, отработавшей парогазовой смеси, а перегретый пар используют как «энергетический» поток пара и для охлаждения парогазовой турбины.The problem is solved by the method of operation of a gas-steam installation, according to which atmospheric air is cleaned from dust, moistened and cooled by spraying the condensate of the steam component of the gas-vapor mixture in it, compressed humidified air is contacted cooled and regeneratively heated by the heat of the exhausted gas-vapor mixture, burned in it fuel, an “energy” steam flow is supplied to the fuel combustion zone, the resulting vapor-gas mixture is expanded, the useful work of expansion is used to compress air and perform externally work, power generation for driving various mechanisms, such as vehicles; the heat of the vapor-gas mixture after its expansion and regenerative heat removal is utilized to generate steam, the vapor-gas mixture is cooled, the vapor component is condensed, the condensate obtained is cooled and used to cool and condense the vapor-gas mixture, and the compressed humidified air is cooled when it comes into contact with water in the state saturation or with saturated water vapor obtained by the utilization of heat, spent steam-gas mixture, and superheated steam is used as an “energy” steam stream and for cooling a combined cycle gas turbine.

Использование в газопаровой установке для впрыска в сжатый воздух воды в состоянии насыщения или насыщенного водяного пара позволяет охладить сжатый воздух с образованием паровоздушной смеси, увеличить расход охлаждаемой среды в регенераторе, повысить степень регенерации за счет теплоты расширившейся парогазовой смеси, при этом сокращается удельный расход сжигаемого топлива, повышается мощность и тепловая экономичность газопаровой установки, обеспечить «экологический» впрыск в сжатый воздух воды в состоянии насыщения или насыщенного пара, понизить температуру в процессе горения топлива и образование экологически вредных оксидов азота.The use of saturated water or saturated water vapor in a gas-vapor installation for injecting water into compressed air allows cooling the compressed air to form a vapor-air mixture, increasing the flow rate of the medium to be cooled in the regenerator, and increasing the degree of regeneration due to the heat of the expanded vapor-gas mixture, while reducing the specific consumption of combustible fuel , increases the power and thermal efficiency of the gas-steam installation, to provide an "environmental" injection of compressed water into the compressed air in a saturated or saturated state steam, lower the temperature during the combustion process and the formation of environmentally harmful nitrogen oxides.

Использование «энергетического» впрыска в зону горения топлива перегретого пара а также его применение для охлаждения парогазовой турбины позволяют повысить экономичность и мощность газопаровой установки.The use of "energy" injection into the combustion zone of fuel of superheated steam as well as its use for cooling a combined-cycle turbine can increase the efficiency and power of a gas-steam plant.

Предлагаемый способ позволяет при создании газопаровых установок использовать компрессоры существующих газотурбинных установокThe proposed method allows the creation of gas-steam units to use the compressors of existing gas turbine units

На чертежах, поясняющих предлагаемый способ, на фиг.1 показана блок-схема, на фиг.2 приведена ее принципиальная схема.In the drawings explaining the proposed method, figure 1 shows a block diagram, figure 2 shows its schematic diagram.

Блок-схема на фиг.1 состоит из двух блоков: газопаротурбинного блока 1; блока утилизации тепла парогазовой смеси 2.The block diagram of figure 1 consists of two blocks: gas-steam turbine block 1; heat recovery unit of a gas-vapor mixture 2.

На фиг.2 показана принципиальная схема газопаровой установки для осуществления предлагаемого способа.Figure 2 shows a schematic diagram of a gas-steam installation for implementing the proposed method.

Газопаротурбинный блок 1 включает: воздушный компрессор 3, камеру смешения 4, регенератор 5, камеру сгорания 6, парогазовую турбину 7, выхлопной трубопровод парогазовой смеси 8, электрогенератор 9, паропровод системы охлаждения парогазовой турбины 10, трубопровод высокотемпературной парогазовой смеси 11, трубопровод парогазовой смеси 12.The gas-steam turbine unit 1 includes: an air compressor 3, a mixing chamber 4, a regenerator 5, a combustion chamber 6, a gas-turbine turbine 7, an exhaust pipe of a gas-vapor mixture 8, an electric generator 9, a steam pipeline of a cooling system of a gas-vapor turbine 10, a pipeline of a high-temperature gas-vapor mixture 11, a gas-vapor mixture pipeline 12 .

Блок утилизации тепла парогазовой смеси 2 включает: паровой котел-утилизатор 13, содержащий пароперегреватель и испаритель 16, водяной экономайзер 17, трубопровод питательной воды 18, оросительное устройство 19, газоохладитель-конденсатор 20 с сепарационным устройством, выхлопной газоход 21 с дымососом. В состав блока 2 также входят трубопровод 14, бак сепарированной воды 22, водоохладитель 23, система подготовки питательной воды 24, включающая питательный насос, умягчитель, деаэратор.The heat recovery unit of the gas-vapor mixture 2 includes: a steam recovery boiler 13, comprising a superheater and an evaporator 16, a water economizer 17, a feed water pipe 18, an irrigation device 19, a gas cooler-condenser 20 with a separation device, an exhaust gas duct 21 with a smoke exhauster. Block 2 also includes a pipeline 14, a separated water tank 22, a water cooler 23, a feed water preparation system 24, including a feed pump, a softener, and a deaerator.

Предлагаемый способ работы газопаровой установки осуществляют следующим образом. Атмосферный воздух сжимают компрессором 3 газопаротурбинного блока 1, направляют его в камеру смешения 4 и производят в него «экологический» впрыск воды в состоянии насыщения или насыщенного пара, подаваемых по трубопроводу 14. Образовавшуюся паровоздушную смесь с температурой, на несколько десятков градусов меньшую температуры сжатого воздуха, нагревают в регенераторе 5, в камеру сгорания 6 подводят топливо, в зону горения через паропровод 15 из пароперегревателя 16 котла-утилизатора 13 подводят перегретый пар, осуществляя его «энергетический» впрыск. Парогазовую смесь высокой температуры по трубопроводу высокотемпературной парогазовой смеси 11 подают в парогазовую турбину 7 и расширяют в ней, причем часть перегретого пара по паропроводу 10 подают в систему охлаждения парогазовой турбины 7. Работу парогазовой турбины 7 используют для сжатия воздуха в компрессоре 3 и выработки электроэнергии в электрогенераторе 9. Расширившуюся парогазовую смесь по выхлопному трубопроводу парогазовой смеси 8 направляют в поверхностный теплообменник-регенератор 5, где ее частично охлаждают, нагревая паровоздушную смесь, подаваемую в него из камеры смешения 4. Из регенератора 5 парогазовую смесь по трубопроводу парогазовой смеси 12 направляют в котел-утилизатор 13 блока 2 утилизации тепла парогазовой смеси. По трубопроводу питательной воды 18 в водяной экономайзер 17 котла-утилизатора 13 подводят питательную воду, после испарителя 16 воду в состоянии насыщения или насыщенный водяной пар по трубопроводу 14 подают в камеру смешения 4 газопаротурбинного блока 1. По паропроводу 15 перегретый пар направляют в камеру сгорания 6, а по паропроводу 10 подают его в систему охлаждения парогазовой турбины 7 газопаротурбинного блока 1.The proposed method of operation of a gas-steam installation is as follows. Atmospheric air is compressed by a compressor 3 of a gas-steam-turbine unit 1, it is directed into a mixing chamber 4 and an “ecological” injection of water is carried out in it in a state of saturation or saturated steam supplied through pipeline 14. The resulting vapor-air mixture with a temperature several tens of degrees lower than the temperature of compressed air , heated in the regenerator 5, fuel is supplied to the combustion chamber 6, superheated steam is supplied to the combustion zone through the steam pipe 15 from the superheater 16 of the recovery boiler 13, realizing it “energetically” cue "injection. The gas-vapor mixture of high temperature through the pipeline of the high-temperature gas-vapor mixture 11 is fed into and expanded into the gas-vapor turbine 7, and a part of the superheated steam is supplied through the steam-pipe 10 to the cooling system of the gas-vapor turbine 7. The operation of the gas-vapor turbine 7 is used to compress air in the compressor 3 and generate electricity in generator 9. The expanded vapor-gas mixture through the exhaust pipe of the vapor-gas mixture 8 is sent to a surface heat exchanger-regenerator 5, where it is partially cooled by heating the steam the air-to-air mixture supplied to it from the mixing chamber 4. From the regenerator 5, the gas-vapor mixture is sent through the gas-vapor mixture pipeline 12 to the recovery boiler 13 of the heat-recovery unit 2 of the gas-vapor mixture. The feed water 18 feeds water into the water economizer 17 of the recovery boiler 13, after the evaporator 16 the water is saturated or saturated steam is fed through the pipe 14 to the mixing chamber 4 of the gas-steam turbine unit 1. The superheated steam is sent to the combustion chamber 6 through the steam pipe 15 and through the steam line 10 it is supplied to the cooling system of a combined cycle gas turbine 7 of a gas-steam-turbine unit 1.

В парогазовую смесь, вышедшую из водяного экономайзера 17 котла-утилизатора 13, через оросительное устройство 19 впрыскивают охлаждающую воду с температурой 20-30°С, подводимую из водоохладителя 23. За счет этого в газоохладителе-конденсаторе 20 конденсируют паровую составляющую парогазовой смеси. В сепарационном устройстве газоохладителя-конденсатора 20 сепарируют смесь конденсата парогазовой смеси и оросительной воды от продуктов сгорания топлива. Продукты сгорания по выхлопному газоходу 21 с дымососом сбрасывают в атмосферу.In the gas-vapor mixture leaving the water economizer 17 of the recovery boiler 13, cooling water with a temperature of 20-30 ° C., supplied from the water cooler 23, is injected through the irrigation device 19. Due to this, the steam component of the gas-vapor mixture is condensed in the gas cooler-condenser 20. In the separation device of the gas cooler-condenser 20, a mixture of condensate of the vapor-gas mixture and irrigation water from the fuel combustion products is separated. The products of combustion through the exhaust duct 21 with a smoke exhauster are discharged into the atmosphere.

Сепарированную в сепарационном устройстве газоохладителя-конденсатора 21 воду подают в бак сепарированной воды 22. Меньшую часть сепарированной воды по трубопроводу питательной воды 18 подают питательным насосом на вход в водяной экономайзер 17 котла-утилизатора 13, после ее умягчения и деаэрирации в системе подготовки питательной воды 24 блока 2 утилизации тепла парогазовой смеси. Большую часть сепарированной воды из бака сепарированной воды 22 подают в водоохладитель 23. Охлажденную в нем воду направляют в оросительное устройство 19 для впрыска в парогазовую смесь, выходящую из водяного экономайзера 17 котла-утилизатора 13.The water separated in the gas cooler-condenser separation device 21 is supplied to the separated water tank 22. A smaller part of the separated water is fed through the feed water pipe 18 to the inlet of the water economizer 17 of the recovery boiler 13 after softening and deaeration in the feed water preparation system 24 unit 2 heat recovery gas-vapor mixture. Most of the separated water from the separated water tank 22 is supplied to the water cooler 23. The water cooled therein is sent to the irrigation device 19 for injection into the vapor-gas mixture leaving the water economizer 17 of the recovery boiler 13.

Claims (1)

Способ работы газопаровой установки, согласно которому атмосферный воздух сжимают, контактно охлаждают, регенеративно подогревают его теплотой отработавшей парогазовой смеси и сжигают в нем топливо, в зону горения топлива подают «энергетический» поток пара, полученную парогазовую смесь расширяют, полезную работу расширения используют для сжатия воздуха и совершения внешней работы, выработки электроэнергии или для привода различных механизмов, например транспортных средств, теплоту парогазовой смеси после ее расширения и регенеративного отвода тепла утилизируют для генерации пара, охлаждают парогазовую смесь, конденсируют ее паровую составляющую, охлаждают полученный конденсат и используют его для охлаждения и конденсации парогазовой смеси после утилизации ее теплоты, причем охлаждение сжатого увлажненного воздуха производят при его контакте с водой в состоянии насыщения или с насыщенным водяным паром, полученными при утилизации теплоты отработавшей парогазовой смеси, а перегретый пар используют как «энергетический» поток пара и для охлаждения парогазовой турбины.The method of operation of a gas-steam installation, according to which atmospheric air is compressed, cooled, regeneratively heated with the heat of an exhaust gas-vapor mixture, and fuel is burned in it, an “energy” steam stream is fed into the fuel combustion zone, the resulting gas-vapor mixture is expanded, useful expansion work is used to compress air and performing external work, generating electricity or for driving various mechanisms, such as vehicles, the heat of the gas mixture after its expansion and regeneration they are used to generate steam, cool the vapor-gas mixture, condense its steam component, cool the condensate obtained and use it to cool and condense the vapor-gas mixture after utilizing its heat, and the compressed humidified air is cooled when it comes in contact with water in a state of saturation or saturated water vapor obtained by utilizing the heat of the spent steam-gas mixture, and superheated steam is used as an “energy” steam stream and for cooling the gas-vapor mixture rubins.

Images