UA10167U - Method for combined generation of thermal and electric power - Google Patents

Abstract

A method for combined generation of thermal and electric power involves burning of natural gas in gas-turbine unit (GTU) with electric generator to obtain electric energy, with formation of the flow of exhaust gases from the GTU, with discharge of the exhaust gases to the furnace of reactor with burning those in the medium of additional fuel to obtain thermal energy. The products of burning from the GTU and the additional fuel are in tangent way supplied to additional cyclone furnace, with burning fuel there in the medium of exhaust gases from the GTU, with supply of the products of combustion to the furnace of the reactor. The burners in the chamber furnace of the reactor are used only in part, for control of the heat load of the reactor under conditions of operation of co-generation unit and as stand-by ones for the case of the GTU switch-off only.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Корисна модель стосується теплоенергетики та теплофікації і може бути використана для комбінованого 2 вироблення теплової та електричної енергії в системах комунального енергопостачання.The useful model is related to thermal energy and heating and can be used for combined 2 production of thermal and electrical energy in communal energy supply systems.

Відомі способи централізованого комбінованого вироблення електричної та теплової енергії на базі теплоелектроцентралей (ТЕЦ), основані на використанні парового, парогазового та газопарового циклів, які в містах і районах України втілюють основний, найбільш поширений спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії (1, 2 3).Known methods of centralized combined production of electric and thermal energy based on thermal power plants (CHP), based on the use of steam, steam-gas and gas-steam cycles, which in the cities and regions of Ukraine embody the main, most common method of combined production of thermal and electric energy (1, 2 3) .

Основним недоліком цих способів, спрямованих на централізоване енергопостачання крупних споживачів (міста, райони), є їх висока капітальна вартість, значна залежність ефективності способу від потужності, яка швидко падає при її зменшенні, недостатньо висока надійність централізованого енергопостачання, великі втрати теплової енергії, пов'язані з необхідністю її транспортування на великі відстані, практична неможливість задовольнити потреби в енергії, особливо в тепловій, при зростанні міст і районів, що призводить 12 до необхідності будування додаткових котелень для теплопостачання.The main disadvantage of these methods aimed at centralized energy supply of large consumers (cities, districts) is their high capital cost, significant dependence of the efficiency of the method on power, which quickly drops when it is reduced, insufficiently high reliability of centralized energy supply, large losses of thermal energy, etc. connected with the need for its transportation over long distances, the practical impossibility of meeting energy needs, especially thermal energy, with the growth of cities and regions, which leads to the need to build additional boiler houses for heat supply.

Відомий спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії на базі когенераційних установок з тепловим двигуном (газопоршневим двигуном чи газовою турбіною) і котлом-утилізатором |4, 5, 6, 71.A known method of combined production of thermal and electrical energy based on cogeneration plants with a heat engine (gas piston engine or gas turbine) and waste boiler |4, 5, 6, 71.

Недоліком цього способу є шкідливі викиди з вихлопними газами, особливо в разі використання газопоршневого двигуна, труднощі з сезонною маневровістю цього способу і його велика капітальна вартість.The disadvantage of this method is harmful emissions with exhaust gases, especially in the case of using a gas piston engine, difficulties with seasonal maneuverability of this method and its high capital cost.

Відомий спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії з допомогою когенераційних установок на базі існуючих комунальних теплофікаційних котелень. Значно поширеним і, можливо, найбільш перспективним є використання в таких установках в якості теплового двигуна газотурбінної установки (ГТУ). При цьому способі ГТУ використовують для вироблення електричної енергії, викидні гази з ГТУ подають в пальники камерної топки котла разом з додатковим паливом, яке спалюється в середовищі викидних газів з ГТУ, а видобуту теплову енергію використовують для теплофікації (8, 9). Цей спосіб економічно більш вигідніший, ніж пл») попередній, має широку базу для розповсюдження, сприяє децентралізації енергозабезпечення і зростанню його надійності. Викиди в навколишнє середовище такої когенгераційної установки можуть бути значно безпечніші, що має велике значення в зв'язку з екологічними вимогами до теплоенергетики. Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії в комунальних теплофікаційних котельнях на базі когенераційних установок з в використанням ГТУ обраний за прототип. Ге)A known method of combined production of thermal and electrical energy using cogeneration plants based on existing communal heating boiler plants. The use in such installations as a heat engine of a gas turbine installation (GTU) is quite common and perhaps the most promising. In this method, gas turbines are used to generate electricity, exhaust gases from gas turbines are fed to the burners of the boiler chamber furnace together with additional fuel, which is burned in the environment of exhaust gases from gas turbines, and the extracted thermal energy is used for heating (8, 9). This method is economically more profitable than the previous one, has a wide base for distribution, contributes to the decentralization of energy supply and the growth of its reliability. Emissions into the environment of such a cogeneration plant can be much safer, which is of great importance in connection with environmental requirements for thermal power engineering. The method of combined production of thermal and electrical energy in communal heating boiler houses based on cogeneration plants with the use of gas turbines is chosen as a prototype. Gee)

Недоліком прототипу є проблема, пов'язана зі спаленням додаткового палива в топці котла, особливо в котлах з високотермонапруженим толочним простором, в середовищі скидних димових газів з ГТУ. Внаслідок -- забаластованості середовища, горіння палива відбувається повільніше, ніж у повітряному середовищі, що Га») сприяє подовженню факелу до консективних поверхонь котла, призводить до порушення розрахункового режиму його роботи, хімічному недожогу палива, погіршенню екологічної якості викидних газів, зниження теплової - потужності, ефективності і ресурсу роботи котла. Для компенсування зниження ефективності роботи котла і збереження його теплової потужності доводиться збільшувати подачу в котел додаткового палива і повітря. При цьому необхідність збереження номінальної витрати продуктів спалення в котлі призводить до зменшення « витрати робочого тіла ГТУ, що подають в котел, і, як наслідок, до зниження потужності ГТУ, що призводить до З зниження економічної ефективності когенераційної установки в цілому. Крім того, пальники в камерній топці с котла, до яких в прототипі подають високотемпературні продукти спалення з ГТУ, не розраховані на таку з» температуру. Внаслідок цього, доводиться попередньо, до подачі у пальники знижати температуру продуктів спалення з ГТУ до рівня придатного для пальників шляхом введення в продукти спалення холодного повітря, що знижує їх тепловий потенціал. Це призводить до необхідності збільшення подачі додаткового палива в котел для компенсації охолодження продуктів спалення з ГТУ і досягнення необхідного рівня температури в топці котла. - При цьому для збереження номінальної витрати теплоносія в котлі доводиться, як і внаслідок розглянутого вище ав | зниження його ефективності, знижувати витрату робочого тіла (продуктів спалення) в ГТУ, що призводить до зниження Її потужності і електричної потужності когенераційної установки. - В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу комбінованого вироблення теплової таThe disadvantage of the prototype is the problem associated with the combustion of additional fuel in the boiler furnace, especially in boilers with a highly thermally stressed pressure space, in the environment of waste flue gases from gas turbines. As a result of the ballasting of the environment, fuel combustion occurs more slowly than in an air environment, which contributes to the extension of the flame to the consecutive surfaces of the boiler, leads to a violation of the calculated mode of its operation, chemical under-burning of the fuel, deterioration of the ecological quality of exhaust gases, a decrease in thermal power , efficiency and resource of boiler operation. In order to compensate for the decrease in boiler efficiency and to preserve its thermal capacity, it is necessary to increase the supply of additional fuel and air to the boiler. At the same time, the need to maintain the nominal consumption of combustion products in the boiler leads to a decrease in the consumption of the gas turbine working fluid fed to the boiler and, as a result, to a decrease in the power of the gas turbine, which leads to a decrease in the economic efficiency of the cogeneration plant as a whole. In addition, the burners in the chamber furnace of the boiler, to which high-temperature combustion products from the GTU are supplied in the prototype, are not designed for such a temperature. As a result, it is necessary to lower the temperature of the combustion products from the gas turbine to a level suitable for the burners by introducing cold air into the combustion products, which reduces their thermal potential, before feeding them to the burners. This leads to the need to increase the supply of additional fuel to the boiler to compensate for the cooling of combustion products from the gas turbine and to achieve the required temperature level in the boiler furnace. - At the same time, in order to maintain the nominal flow rate of the coolant in the boiler, it is necessary, as well as due to the above-mentioned av | reducing its efficiency, reducing the consumption of the working fluid (combustion products) in the gas turbine, which leads to a decrease in its power and the electric power of the cogeneration plant. - The basis of a useful model is the task of improving the method of combined production of thermal and

Ге»! 20 електричної енергії в комунальних теплофікаційних котельнях на базі когенераційних установок з використаннямGee! 20 electric energy in communal heating boiler houses based on cogeneration plants using

ГТУ шляхом удосконалення технології спалення палива в забаластованому середовищі димових газів з ГТУ з тм метою підвищення ефективності і потужності когенераційної установки.GTU by improving the fuel burning technology in the ballasted environment of flue gases from the GTU with the aim of increasing the efficiency and capacity of the cogeneration plant.

Поставлена задача вирішується тим, що в способі комбінованого вироблення теплової та електричної енергії, який включає спалення природного газу в газотурбінній установці (ГТУ) з електогенератором для одержання 29 електроенергії, формування потоку вихлопних газів з ГТУ, скидання вихлопних газів в топку котла зі спаленням с в їх середовищі додаткового палива для одержання теплової енергії, згідно корисної моделі, продукти спалення з ГТУ і додаткове паливо тангенційно подають в додаткову циклонну топку, спалюють в ній паливо в середовищі викидних газів з ГТУ і подають продукти спалення в камерну топку котла, а пальники в камерній топці котла використовують лише частково тільки для регулювання теплового навантаження котла в умовах роботи 60 когенераційної установки і як резервні на випадок відключення ГТУ.The problem is solved by the fact that in the method of combined production of thermal and electrical energy, which includes the burning of natural gas in a gas turbine unit (GTU) with an electric generator to obtain 29 electricity, the formation of a flow of exhaust gases from the GTU, discharge of exhaust gases into the furnace of the boiler with combustion of in their medium of additional fuel for obtaining thermal energy, according to a useful model, the combustion products from the GTU and additional fuel are tangentially supplied to the additional cyclone furnace, the fuel is burned in it in the environment of exhaust gases from the GTU and the combustion products are supplied to the chamber furnace of the boiler, and the burners in the chamber boiler furnaces are used only partially only to regulate the heat load of the boiler under the operating conditions of the 60 cogeneration plant and as backup in case of shutdown of the gas turbine.

Тангенційна подача продуктів спалення з ГТУ і додаткового палива в циклонну топку і спалення в ній палива в середовищі викидних газів з ГТУ необхідні для інтенсифікації сумішеутворення і прискорення процесу спалення, що дозволяє запобігти негативних наслідків подовження факелу, ефективно використати тепловий потенціал продуктів спалення з ГТУ, відмовитись від використання для подачі в котел продуктів спалення з ГТУ бо пальників камерної топки котла, не розрахованих на температуру продуктів спалення з ГТУ, що обумовлює необхідність зниження її і втрату теплового потенціалу, які в запропонованій корисній моделі використовують лише для регулювання теплового навантаження котла і як резервні при відключенні ГТУ і працюють в проектному температурному режимі.The tangential supply of combustion products from the GTU and additional fuel to the cyclone furnace and the burning of fuel in it in the environment of exhaust gases from the GTU are necessary for the intensification of the mixture formation and the acceleration of the combustion process, which makes it possible to prevent the negative consequences of the flare extension, to effectively use the thermal potential of the combustion products from the GTU, to refuse from the use of burners in the boiler chamber for feeding the combustion products from the GTU to the boiler, which are not designed for the temperature of the combustion products from the GTU, which causes the need to reduce it and the loss of thermal potential, which in the proposed useful model are used only to regulate the heat load of the boiler and as backup when the gas turbine is turned off and operate in the design temperature mode.

Подача продуктів спалення з циклонної топки в камерну топку котла необхідна для завершення процесу горіння і одержання в котлі цільової теплової енергії.The supply of combustion products from the cyclone furnace to the chamber furnace of the boiler is necessary to complete the combustion process and obtain the target thermal energy in the boiler.

Обмежене використання пальників в камерній топці котла необхідне для регулювання теплового навантаження котла в умовах роботи когенераційної установки і як резервних на випадок відключення ГТУ. При цьому пальники працюють в проектному температурному режимі. 70 Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому зображена запропонована принципова схема комбінованого вироблення теплової та електричної енергії (див. фіг.).The limited use of burners in the chamber furnace of the boiler is necessary to regulate the heat load of the boiler under the conditions of operation of the cogeneration plant and as backup in case of shutdown of the gas turbine. At the same time, the burners work in the design temperature regime. 70 The essence of the useful model is explained by the drawing, which depicts the proposed schematic diagram of the combined production of thermal and electrical energy (see fig.).

Паливний газ (Г) і повітря (П) подають в ГТУ 1, в якій теплова енергія перетворюється в механічну, яка, в свою чергу, перетворюється в електричну з допомогою електрогенератора 2, механічно зв'язаного з ГТУ.Fuel gas (G) and air (P) are fed into the gas turbine 1, in which thermal energy is converted into mechanical energy, which, in turn, is converted into electrical energy with the help of an electric generator 2, mechanically connected to the gas turbine.

Продукти спалення (ПС) з ГТУ тангенційно подають крізь шліци у циклонну топку 5. Туди ж також подають /5 додаткове паливо. Вихори, які утворюються в циклонній топці, сприяють інтесифікації сумішеутворення і горіння палива як в об'ємі циклону, так і на його стінах, що призводить до прискорення процесу спалення. Час перебування реагуючих мас у циклонній топці залежить від її довжини, площі горловини і перепаду тиску між циклоном і камерною топкою котла і визначається при проектуванні когенераційної установки.Combustion products (PS) from the gas turbine are fed tangentially through slots into the cyclone furnace 5. Additional fuel is also fed there. The vortices formed in the cyclone furnace contribute to the intensification of mixture formation and fuel combustion both in the volume of the cyclone and on its walls, which leads to the acceleration of the combustion process. The residence time of the reacting masses in the cyclone furnace depends on its length, the area of the throat and the pressure difference between the cyclone and the chamber furnace of the boiler and is determined during the design of the cogeneration plant.

Високотемпературні продукти горіння з циклонної топки 5 подають через її горловину до камерної топки 4 2о Котла 3. Основний процес спалення палива відбувається в циклонній топці. Камерна топка котла виконує роль тільки камери дожигання. Це призводить до значного скорочення довжини факелу в камерній топці і запобігання його затягування на конвективні поверхні котла, що сприяє наближенню його роботи до розрахункового режиму.High-temperature combustion products from the cyclone furnace 5 are fed through its neck to the chamber furnace 4 2o of Boiler 3. The main process of fuel combustion takes place in the cyclone furnace. The chamber firebox of the boiler acts only as a post-combustion chamber. This leads to a significant reduction in the length of the torch in the chamber furnace and prevents it from being pulled onto the convective surfaces of the boiler, which helps bring its operation closer to the calculated mode.

Утворення вихорового процесу в циклонній камері потребує додаткової витрати енергії. Це призводить до необхідності збільшення протитиску в ГТУ, що знижує її потужність. Але ця втрата потужності двигуна значно об Менша ніж втрата, до якої призводить зниження ефективності роботи котла внаслідок затягування факелу і необхідності компенсування втрати теплової потужності котла шляхом збільшення спалення додаткового палива о, в котлі, що, для збереження розрахункової витрати димових газів в котлі, призводить до необхідності зменшення витрати робочого тіла в ГТУ і, як слідство, до зниження її потужності.The formation of a vortex process in a cyclone chamber requires additional energy consumption. This leads to the need to increase the back pressure in the gas turbine, which reduces its power. But this loss of engine power is much smaller than the loss caused by a decrease in the efficiency of the boiler due to the tightening of the torch and the need to compensate for the loss of the boiler’s thermal power by increasing the burning of additional fuel in the boiler, which, in order to maintain the calculated consumption of flue gases in the boiler, leads to the need to reduce the consumption of the working fluid in the gas turbine engine and, as a consequence, to the reduction of its capacity.

Пальники в камерній топці з системою паливозабезпечення використовують тільки для регулювання ї- зо теплового навантаження котла, в умовах роботи когенераційної установки (наприклад, при зниженні електричного і необхідності збереження теплового навантаження установки), для зняття пікових навантажень і як ікс, резервні в разі відключення ГТУ. «-Burners in a chamber furnace with a fuel supply system are used only to regulate the thermal load of the boiler, under the conditions of operation of the cogeneration plant (for example, when the electrical load is reduced and the thermal load of the plant needs to be maintained), to remove peak loads and as backup in case of shutdown of the gas turbine . "-

Використання в когенераційних технологіях, які застосовуються на базі комунальних теплофікаційних котелень, вихревих толочних процесів є найбільш простим рішенням складної технологічної проблеми, о пов'язаної зі спаленням палива в середовищі димових газів з ГТУ. «-The use in cogeneration technologies, which are used on the basis of communal heating boilers, of vortex crushing processes is the simplest solution to the complex technological problem associated with the combustion of fuel in the environment of flue gases from gas turbines. "-

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Рижкин В.Я.. Тепловне злектрические станции. М.: "Знергия", 1967. 2. Андрющенко А.И., Лапшов В.И. Парогазовне установки злектростанций. М.: "Знергия", 1965.SOURCES OF INFORMATION: 1. Ryzhkin V. Ya.. Thermal and electric stations. M.: "Znergia", 1967. 2. Andryushchenko A.I., Lapshov V.I. Steam and gas installations of power stations. M.: "Znergy", 1965.

З. Канаев А.А., Корнеев М.Й. Парогазовне установки. Л.: "Машиностроение", 1974. « 4. Арсеньев Л.В., Тьірьішкин П.Г. Комбинированньсе установки с газовьми турбинами. Л.: "Машиностроениє", пт») с Ленинградское отделение, 1982. 5. М.Кузьменко, В.Межибовский, О.Брьіндин, Г.Телегин. Газотурбинная злектростанция в Рьібинске введена ;» в зксплуатацию. "Газотурбиннье технологии", Мо5, 2002. 6. Патент России Мо2217615, кл. 7 Е02С6/18, ЕО1К23/10, 2003. 7. Патент России Мо2193674, кл. 7 ГО2839/04, 2002. - 8. Степанов Р.ЙИ.. Котльі с предвключенньїми газовьіми турбинами. - "Теплознергетика", 1995, Мо4, с.41-43. о 9. Патент України Мо9023 А, кл. 5 РГО2С6/00, РО2С6/18, 1996.Z. Kanaev A.A., Korneev M.Y. Steam and gas installation. L.: "Mashinostroenie", 1974. « 4. L.V. Arsen'ev, P.G. Tir'ishkin. Combined installations with gas turbines. L.: "Mashinostroenie", pt») with the Leningrad department, 1982. 5. M. Kuzmenko, V. Mezhibovsky, O. Bryndin, G. Telegin. Gas turbine electric power station in Rybinsk introduced;" in operation "Gas turbine technologies", Mo5, 2002. 6. Patent of Russia Mo2217615, cl. 7 Е02С6/18, ЕО1К23/10, 2003. 7. Patent of Russia Mo2193674, cl. 7 GO2839/04, 2002. - 8. R. Y. Stepanov. Boilers with gas turbines pre-started. - "Teploznergetika", 1995, Mo4, pp. 41-43. at 9. Patent of Ukraine Mo9023 A, cl. 5 РHO2С6/00, РО2С6/18, 1996.

Claims (1)

- Формула винаходу б 50- The formula of the invention would be 50 «М Спосіб комбінованого вироблення теплової та електричної енергії, який включає спалення природного газу в газотурбінній установці (ГТУ) з електрогенератором для одержання електроенергії, формування потоку вихлопних газів з ГТУ, скидання вихлопних газів в топку котла зі спаленням в їх середовищі додаткового палива для одержання теплової енергії, який відрізняється тим, що продукти спалення з ГТУ і додаткове паливо тангенційно подають в додаткову циклонну топку, спалюють в ній паливо в середовищі викидних газів з ГТУ і с подають продукти спалення в камерну топку котла, а пальники в камерній топці котла використовують лише частково тільки для регулювання теплового навантаження котла в умовах роботи когенераційної установки і як резервні на випадок відключення ГТУ."M The method of combined production of thermal and electrical energy, which includes the burning of natural gas in a gas turbine unit (GTU) with an electric generator to obtain electricity, the formation of a flow of exhaust gases from the GTU, discharge of exhaust gases into the furnace of the boiler with combustion in their environment of additional fuel to obtain heat of energy, which differs in that the combustion products from the GTU and additional fuel are fed tangentially into the additional cyclone furnace, the fuel is burned in it in the environment of exhaust gases from the GTU and the combustion products are fed into the chamber furnace of the boiler, and the burners in the chamber furnace of the boiler are only partially used only for regulating the heat load of the boiler under the operating conditions of the cogeneration plant and as backup in case of shutdown of the gas turbine. 60 б560 b5