EA007033B1

EA007033B1 - Способ производства электроэнергии и способ повышения кпд теплоэлектростанции

Info

Publication number: EA007033B1
Application number: EA200200959A
Authority: EA
Inventors: Фрэнк Ф. Миттрикер; Майкл Тернер
Original assignee: Эксонмобил Кемикэл Пейтентс Инк.
Priority date: 2000-03-20
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2006-06-30
Also published as: AU2001245857B2; EP1287247B1; WO2001071176A9; US6584776B2; EP1287247A2; MY134776A; WO2001071176A2; AU4585701A; EA200200959A1; CN1418286A; US20020007624A1; WO2001071176A3; ATE514846T1

Abstract

В изобретении описаны способ и установка для производства электроэнергии на теплоэлектростанции с газовой турбиной (16). Газовая турбина имеет компрессорную ступень (14), в которой происходит сжатие поступающего в турбину воздуха (12). Сжатый воздух подается в камеру (30) сгорания, в которой он смешивается с топливом (12) и в которой после сгорания топлива образуются горячие газообразные продукты сгорания. Горячие продукты сгорания топлива расширяются в турбинной ступени (22) газовой турбины, и их энергия преобразуется в механическую энергию вращения выходного вала турбины, которая используется для привода во вращение генератора переменного тока и производства электроэнергии. Газообразные продукты сгорания топлива превращаются в турбинной ступени после расширения в отработанные газы (24), которые охлаждаются в процессе теплообмена, отдавая по крайней мере часть своего тепла подаваемому в камеру сгорания воздуху.

Description

По настоящей заявке испрашивается приоритет по дате заявки на патент и8 60/190621, поданной 20 марта 2000г.

На газотурбинных электростанциях электрическую энергию получают в результате сжигания топлива и сжатого воздуха в камере сгорания и использования имеющих высокую температуру и высокое давление газообразных продуктов сгорания в турбинной ступени, в которой они расширяются и приводят во вращение соединенный с турбиной ротор генератора, вырабатывающего электрическую энергию. Обычно такие турбины состоят из компрессорной ступени или компрессора, в котором происходит сжатие поступающего в турбину воздуха, расположенной за компрессором камеры сгорания, в которой происходит сгорание топлива и сжатого воздуха, и расположенной за камерой сгорания турбинной ступени, в которой поступающие в нее из камеры сгорания газообразные продукты сгорания расширяются, а их энергия преобразуется в механическую энергию вращения выходного вала турбины. Выходной вал турбины соединен с электрогенератором, в котором механическая энергия вращения выходного вала турбины преобразуется в электрическую энергию.

Газовые турбины работают по трехступенчатому циклу Брайтона. Вначале в компрессоре происходит адиабатическое сжатие воздуха. Затем к сжатому воздуху добавляют топливо и полученную смесь сжигают в камере сгорания при постоянном давлении. Поступающий в турбинную ступень горячий сжатый воздух расширяется по адиабате до более низкого давления. Работа газовой турбины по циклу Брайтона из-за присущих ему особенностей сопровождается потерями, связанными с тем, что определенная часть энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха и его нагревание, не используется в турбине и остается в имеющих сравнительно высокую температуру и низкое давление отработанных в турбинной ступени газах. Во многих случаях отработанные газы на выходе из турбинной ступени имеют температуру, близкую к или превышающую 1000°Р (530°С). При выбросе этих газов в атмосферу часть топлива, сгорающего вместе с воздухом и увеличивающего его температуру до температуры отработанных газов, расходуется бесполезно, что, как очевидно, снижает общий коэффициент полезного действия цикла.

Регенерация энергии, остающейся в отработанных в турбинной ступени газах, повышает общий коэффициент полезного действия таких электростанций. Один из известных методов регенерации энергии, содержащейся в отработанных в турбинной ступени газах, основан на использовании этих газов для получения водяного пара, который, в свою очередь, используется для получения дополнительной электрической энергии в конденсационной паровой турбине. Процесс получения электроэнергии за счет конденсации водяного пара по своим термодинамическим характеристикам является неэффективным, поскольку при этом около двух третей энергии отработанных газов расходуется на охлаждение воды и только одна ее треть расходуется непосредственно на выработку электрической энергии. Поскольку паровые турбины работают по циклу Ренкина, а не по циклу Брайтона, электростанции, в которых используется такой способ регенерации тепла, обычно называют комбинированными или электростанциями, работающими по комбинированному циклу.

Несмотря на такие потери, связанные с необходимостью охлаждения воды для конденсации водяного пара, создание в последнее время новых крупных газовых турбин позволило существенно расширить применение комбинированных электростанций и значительно повысить их экономичность. Обычно экономичность того или иного цикла оценивают по удельному расходу тепла, который определяют как частное от деления скрытой теплоты сгорания использованного топлива (в британских тепловых единицах в час или БТЕ/ч) на полученную мощность (в кВт). Удельный расход тепла (скрытой теплоты сгорания топлива) в работающих по комбинированному циклу электростанциях с современными газовыми турбинами в настоящее время обычно превышает 7000 БТЕ/кВт-ч.

Современные газовые турбины, работающие при более высоких температурах газа и с более высокими степенями сжатия, позволяют увеличить количество сжигаемого топлива, которое непосредственно преобразуется сначала в турбине в механическую энергию, а затем в генераторе - в электрическую энергию. При этом количество энергии, содержащейся в отработанных газах, на единицу получаемой электрической энергии снижается, и одновременно снижается количество энергии, расходуемой на охлаждение воды в конденсационной паровой турбине. В результате обеспечивается определенная экономия топлива и снижается удельный расход тепла. Современные газовые турбины отличаются меньшим количеством отработанного газа на единицу вырабатываемой электроэнергии и его сравнительно высокой температурой. Уменьшение количества отработанного газа и увеличение его температуры позволяет использовать в конденсационной паровой турбине большую часть содержащейся в отработанном газе тепловой энергии, что также повышает экономичность всей электростанции и снижает удельный расход тепла.

На теплоэлектростанциях тепловую энергию отработанных в турбинной ступени газов используют для получения водяного пара или иных теплоносителей, например горячего масла, при этом конечной продукцией, получаемой на теплоэлектростанциях, является электрическая энергия, а побочной - водяной пар или другой теплоноситель. Количество тепла, которое можно отобрать от отработанных газов в парогенераторе или в масляном нагревателе, обычно называют полезным теплоотводом или полезной тепловой нагрузкой. Крупные современные газовые турбины с большой выходной мощностью и высокими температурами отработанных газов требуют очень большого теплоотвода или полезной тепловой нагрузки и поэтому обычно не используются при строительстве теплоэлектростанций.

- 1 007033

Тепловая энергия, содержащаяся в отработанных газах, может превышать полезную тепловую нагрузку, если, например, количество водяного пара, которое можно получить за счет тепловой энергии, содержащейся в отработанных газах на выходе из турбинной ступени, будет больше количества водяного пара, которое можно использовать на теплоэлектростанции, например, в качестве теплоносителя или в каких-либо иных целях. Такие ограничения, накладываемые на отработанные газы полезной тепловой нагрузкой, не позволяют использовать в обычных теплоэлектростанциях крупные современные газовые турбины и поэтому исключают возможность реализации всех преимуществ таких турбин, связанных с их большой мощностью и высокой экономичностью.

Именно это обстоятельство и препятствует созданию теплоэлектростанций, обладающих высокой экономичностью. В последнее время в связи с появлением новых крупных газовых турбин разница в эффективности между обычными электростанциями, работающими по комбинированному циклу, и теплоэлектростанциями существенно сократилась. Расчеты показывают, что при использовании крупных газовых турбин, отличающихся высокими экономическими показателями, стоимость строительства электростанций, работающих по комбинированному циклу (из расчета на 1 кВт вырабатываемой электроэнергии), оказывается существенно меньшей, чем стоимость строительства обычных теплоэлектростанций.

Появившиеся в последнее время перспективы, связанные с созданием крупных и экономичных газовых турбин, требуют поиска новых схем рекуперации тепла, которые позволили бы использовать такие турбины на теплоэлектростанциях и сделали бы их экономически выгодными. Теплоэлектростанции имеют более высокий коэффициент полезного действия, чем электростанции, работающие по комбинированному циклу, расходуют (при заданном размере турбины) меньше топлива на киловатт получаемой электрической энергии и более экологичны по сравнению с комбинированными электростанциями.

Обычно теплоэлектростанции работают в режиме базовой нагрузки, т.е. при максимальном расходе топлива и воздуха. При уменьшении нагрузки (от базовой) коэффициент полезного действия теплоэлектростанции, рассчитываемый по вырабатываемой электроэнергии, снижается. Поскольку, однако, цена на электроэнергию часто меняется в зависимости от потребностей рынка, при падении цены на электроэнергию может оказаться выгодным работать и с пониженной нагрузкой. Это обстоятельство требует разработки способа, обеспечивающего возможность эффективной работы теплоэлектростанции при нагрузках, меньших базовой.

С другой стороны, существующие в настоящее время теплоэлектростанции обладают ограниченными возможностями для выработки дополнительной электроэнергии, необходимость в которой появляется при увеличении потребностей в электроэнергии и цены на нее. Поэтому существует также необходимость в разработке способа, обеспечивающего возможность увеличения производства электроэнергии на теплоэлектростанции в периоды ее максимального потребления в экономически выгодном режиме.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать способ регенерации тепла из отработанных газов газовой турбины и использования регенерированного тепла для уменьшения требований к теплоотводу или тепловой нагрузке на отработанные в газовой турбине газы. Такой способ должен обеспечивать возможность эффективной работы теплоэлектростанции при колебаниях тепловой энергии отработанных газов и полезной тепловой нагрузки, которая определяется требованиями к водяному пару или другому используемому на электростанции теплоносителю.

Еще одна задача изобретения состояла также в разработке способа эффективного увеличения пиковой мощности газотурбинной теплоэлектростанции при снижении требований к отработанным газам, связанным с теплоотводом или тепловой нагрузкой на них.

Еще одна задача изобретения заключалась в разработке схемы регенерации тепла, которая обеспечивала бы возможность эффективной работы теплоэлектростанции в режиме пониженной мощности в периоды минимальной потребности в электроэнергии и неблагоприятной ситуации на рынке электроэнергии.

Эти, а также другие положенные в основу изобретения задачи решаются с помощью предлагаемых в нем эффективных способа производства электроэнергии на газотурбинных теплоэлектростанциях и способа повышения КПД такой теплоэлектростанции, которые позволяют снять ограничения на использование в них крупных современных газовых турбин. Для повышения эффективности цикла и снижения требований к отработанным газам, обусловленным тепловой нагрузкой на отработанные в турбине газы в теплоэлектростанциях, на которых, в частности, используются крупные газовые турбины, согласно изобретению предлагается тепло, регенерируемое из имеющих высокую температуру отработанных газов турбинной ступени, использовать непосредственно на выходе из турбины. В одном из вариантов предлагаемого в изобретении способа для повышения массового расхода турбинной ступени и увеличения выработки электроэнергии к горячему сжатому воздуху добавляют воду. В другом варианте в изобретении предлагается способ, позволяющий уменьшить выработку электроэнергии без заметного снижения коэффициента полезного действия цикла. Предлагаемые в изобретении способы и реализующая их установка позволяют увеличить гибкость в работе газотурбинной теплоэлектростанции и обеспечивают возможность эффективного производства электроэнергии в пиковом режиме при возрастающих потребностях и высокой цене на электроэнергию, а также в режиме пониженных нагрузок при низких ценах на электроэнергию. Предлагаемые в изобретении способы позволяют, таким образом, непрерывно оптими

- 2 007033 зировать процесс производства электроэнергии и получения побочного продукта на основании текущих потребностей рынка и требований, предъявляемых к водяному пару, горячему маслу или к другому теплоносителю.

В отличие от известных в настоящее время теплоэлектростанций, в которых размер газовой турбины ограничен полезной тепловой нагрузкой на отработанные газы, предлагаемый в изобретении способ допускает превышение тепловой энергии отработанных газов приходящейся на них полезной тепловой нагрузки и позволяет использовать в теплоэлектростанциях обеспечивающие повышение коэффициента полезного действия всего цикла современные крупные газовые турбины с высокой температурой отработанных газов. Имеющие высокую температуру отработанные газы используются для подогрева воздуха, поступающего в компрессор турбины, и, что особенно важно, для подогрева сжатого воздуха, выходящего из компрессора до его попадания в камеру сгорания. Каждая единица тепловой энергии, которая передается от горячих отработанных газов подаваемому в камеру сгорания сжатому воздуху, позволяет сэкономить единицу сжигаемого в камере сгорания топлива. Таким путем в зависимости от условий работы и схемы электростанции можно регенерировать непосредственно на выходе из турбины около двух третей тепловой энергии, содержащейся в отработанных газах. Такой способ регенерации тепловой энергии, содержащейся в отработанных газах, на выходе из турбинной ступени более эффективен, чем вторичное использование отработанных газов в комбинированном цикле, в котором около двух третей энергии отработанных газов теряется на охлаждение воды в конденсаторе водяного пара. Отработанные газы, остающиеся после охлаждения и нагревания воздуха достаточно горячими, можно затем использовать для получения побочного продукта и регенерации дополнительной тепловой энергии. Уменьшение количества тепловой энергии, остающейся в охлажденных отработанных газах, позволяет по сравнению с существующими схемами регенерации тепла при совместном производстве тепла и электричества, в которых энергия отработанных газов используется для получения водяного пара, существенно снизить тепловую нагрузку на отработанные газы.

Важной отличительной особенностью предлагаемых в изобретении способов является то, что к нагретому в процессе теплообмена с отработанными газами сжатому воздуху до его подачи в камеру сгорания добавляют воду, обеспечивая тем самым возможность работы турбины в пиковом режиме. При этом расход добавляемой воды выбирают в соответствии с температурой сжатого воздуха таким образом, чтобы предотвратить возможное образование конденсата в камере сгорания. Такое насыщение подаваемого в камеру сгорания воздуха водой после нагрева этого воздуха отработанными газами увеличивает массовый расход турбинной ступени и позволяет существенно увеличить мощность турбины и количество электроэнергии, производимой при резком увеличении ее потребления. Насыщение подаваемого в камеру сгорания воздуха водой, кроме того, снижает температуру пламени в камере сгорания и уменьшает содержание в газообразных продуктах сгорания оксидов азота (ΝΟ_Χ). Тепловую энергию отработанных в турбинной ступени газов можно также использовать для подогрева воды, которой насыщается подаваемый в камеру сгорания воздух. Предварительный подогрев подаваемого в камеру сгорания воздуха позволяет увеличить количество добавляемой в него воды без опасения нежелательной конденсации воды в камере сгорания. Реализация изобретения при строительстве теплоэлектростанций позволяет получить и дополнительные выгоды экономического порядка, поскольку затраты на получение дополнительной электроэнергии предлагаемым в изобретении способом меньше затрат на установку дополнительных газовых турбин, которые могли бы удовлетворить потребности в электроэнергии при их резком (пиковом) увеличении.

Таким образом, предлагаемые в изобретении способы позволяют производителям электроэнергии снять существующие в настоящее время и связанные с тепловой нагрузкой на отработанные газы ограничения по размеру газовой турбины для теплоэлектростанции и обеспечивают возможность увеличения ее коэффициента полезного действия и других экономических показателей при более гибкой эксплуатации и возможности работать в оптимальном режиме в условиях меняющихся потребностей рынка.

На прилагаемом к описанию чертеже показана схема теплоэлектростанции, на которой реализуются предлагаемые в изобретении способы регенерации тепла и производства электроэнергии в пиковом режиме.

На чертеже показана схема теплоэлектростанции 10, на которой реализуются решения, предлагаемые в настоящем изобретении. Атмосферный воздух 12 поступает в компрессор 14 газовой турбины 16. Сжатый воздух 18 проходит через пучок ребристых труб, расположенных в первой секции 20 парогенератора 22 для рекуперации тепла (ПГРТ), в межтрубное пространство которой из турбинной ступени 26 газовой турбины подаются горячие отработанные газы 24, нагревающие проходящий через трубы сжатый воздух. Ребристые трубы образуют теплообменную поверхность для обмена тепловой энергией между отработанными в турбинной ступени газами 24 и сжатым воздухом 18, в результате чего сжатый воздух 18 нагревается, а отработанные газы 24 охлаждаются. В одном из вариантов осуществления изобретения нагретый сжатый воздух 18 подается в барабан 28 для насыщения воздуха водой, в котором при необходимости к этому воздуху 18 добавляют воду, предпочтительно в виде водяного пара или тумана, которая увеличивает массовый расход, а, следовательно, и выходную мощность турбинной ступени 26. За счет добавления воды и увеличения массового расхода турбинной ступени выходную мощность турбины можно увеличить минимум на 20%. Насыщенный в барабане 28 водой воздух нагревается в камере

- 3 007033 сгорания в процессе сжигания топлива 32. В качестве сжигаемого в камере сгорания топлива 32 можно использовать жидкое или газообразное топливо, в частности природный газ или дистиллятное топливо. Образующиеся в камере сгорания газообразные продукты сгорания топлива расширяются в турбинной ступени 26 газовой турбины 16, в которой их энергия превращается в механическую энергию вращения выходного вала турбины, который приводит во вращение ротор вырабатывающего электроэнергию генератора 34.

Поступающие в ПГРТ 22 из турбинной ступени 26 газовой турбины 16 отработанные газы 24 после регенерации содержащейся в них тепловой энергии выбрасываются в атмосферу через вентиляционную трубу 36. Отбор в ПГРТ 22 от отработанных газов (до их выброса в атмосферу) максимально возможного количества тепла выгоден не только экономически, но и экологически. Говоря об экономическом эффекте, следует отметить, что каждый градус, на который температура отработанных газов превышает температуру окружающего воздуха, означает потери соответствующего количества сжигаемого в камере сгорания топлива. Если говорить об экологии, то необходимо учитывать, что увеличение тепловой энергии, отбираемой от отработанных газов до их выброса в атмосферу, позволяет использовать на электростанциях более крупные и более эффективные газовые турбины при сравнительно небольшом количестве парниковых газов, образующихся в них на единицу регенерированной энергии.

ПГРТ 22 в рассматриваемом варианте состоит из трех секций. В первой секции 20 расположен теплообменник 38, который предназначен для нагревания сжатого воздуха 18 за счет тепла, отбираемого от отработанных в турбине газов 24. Теплообменник 38 можно выполнить в виде пучка ребристых труб, через которые проходит сжатый воздух 18, нагреваемый снаружи поступающими в межтрубное пространство теплообменника горячими отработанными газами 24. Конструктивно такой теплообменник можно выполнить и иначе на основе любой хорошо известной конструкции. Количество тепла, отбираемого от отработанных газов 24, можно при необходимости регулировать, регулируя для этого с помощью не показанного на чертеже перепускного трубопровода количество воздуха, поступающего в теплообменник 38, а из него - в камеру сгорания.

В другой секции 40 ПГРТ 22 расположен парогенератор 42, в котором в результате нагрева и испарения отработанными газами 24 подаваемой в него котловой воды 44 получают используемый на электростанции водяной пар 46 высокого и/или низкого давления. Отработанные газы 24 можно использовать не только для получения водяного пара, но и для нагрева другого теплоносителя, например масла или какой-либо иной жидкости. В этом случае помимо парогенератора 42 или вместо него во второй секции ПГРТ устанавливается соответствующий теплообменник (не показан), в котором происходит регенерация тепла, а тепловая энергия отработанных газов используется для нагрева соответствующего жидкого теплоносителя. Количество побочного продукта (водяного пара или жидкого теплоносителя), получаемого при регенерации тепловой энергии, можно регулировать в зависимости от существующих на электростанции потребностей путем регулирования расхода котловой воды или жидкого теплоносителя, прокачиваемого через вторую секцию 40 ПГРТ 22. Количество получаемого побочного продукта или побочных продуктов можно также регулировать путем регулирования расхода сжатого воздуха, подаваемого в секцию 20 ПГРТ 22, и происходящего при этом изменения теплосодержания отработанного газа, поступающего в секцию 40.

В третьей секции 48 ПГРТ 22 расположен теплообменник 49, который можно использовать для подогрева отработанными газами 24 добавляемой в барабане к поступающему в камеру сгорания сжатому воздуху свежей воды 50, увеличивая тем самым количество регенерируемого тепла и повышая общий коэффициент полезного действия цикла. Горячую воду и/или водяной пар, образовавшийся в теплообменнике 49, подают в барабан 28 по трубопроводу, на котором установлен регулирующий клапан 52. В одном из вариантов расход свежей воды регулируют с помощью соединенного с клапаном 52 терморегулятора (ТР) 54. Этот терморегулятор 54 измеряет температуру сжатого воздуха, выходящего из барабана 28, и регулирует ее в определенных пределах путем регулирования расхода свежей воды, поступающей в барабан через клапан 52. Терморегулятор 54 поддерживает температуру насыщенного водой сжатого воздуха на заданном уровне, снижая расход свежей воды 50 в тот момент, когда температура воздуха становится меньше заданной, и увеличивая его в тот момент, когда температура воздуха становится больше заданной. Целесообразно, чтобы заданная температура воздуха всегда была выше температуры, при которой в камере 30 сгорания могла бы произойти конденсация содержащейся в сжатом воздухе воды. Тем самым практически полностью исключается возможность образования конденсата в камере 30 сгорания при максимально возможном количестве воды, добавляемой к сжатому воздуху, когда турбина работает в режиме пиковых нагрузок.

При низком потреблении электроэнергии подачу в барабан 28 воды, которой для увеличения расхода газа в турбине 16 и получения дополнительной электрической энергии насыщают сжатый воздух, можно прекратить. Подобная предусмотренная изобретением возможность позволяет, как очевидно, достаточно просто регулировать выходную мощность турбины и режим работы электростанции в зависимости от текущих потребностей рынка. При этом при низком потреблении электроэнергии и ее сравнительно низкой стоимости в барабан 28 можно вообще не подавать воду или подавать ее в минимальном количестве. И, наоборот, для увеличения мощности турбины при пиковом увеличении потребления электро

- 4 007033 энергии количество подаваемой в барабан воды можно поднять до максимального уровня, который, однако, ограничен по соображениям возможной конденсации воды в камере сгорания. Добавляемую к сжатому воздуху свежую воду 50 можно предварительно подогреть в ПГРТ 22, увеличив тем самым, как уже было отмечено выше, общий коэффициент полезного действия цикла. Свежую воду 50 можно также пустить в обход ПГРТ 22, увеличив тем самым количество отбираемого от отработанных газов тепла, используемого для нагревания сжатого воздуха или для получения побочных продуктов.

В одном из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа пар, получаемый в секции 40 ПГРТ 22, подается в барабан 28 и используется в нем для насыщения сжатого воздуха 18, подаваемого в камеру сгорания. В этом варианте используется клапан 56, установленный в магистрали, соединяющей паровой коллектор с трубой, проходящей ко входу в насыщающий барабан. Работой клапана 56 управляет терморегулятор 54, который регулирует количество водяного пара, поступающего в барабан 28 в зависимости от температуры насыщенного водой воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Терморегулятор 54 уменьшает расход пара, если температура насыщенного водой воздуха снижается ниже заданной, и соответственно увеличивает расход пара, если температура насыщенного водой воздуха становится больше заданной. При необходимости в дополнительном производстве электроэнергии, когда количество пара, получаемого в секции 40 ПГРТ 22, превышает потребности станции, весь излишек получаемого в секции 40 ПГРТ 22 пара 46 можно использовать для насыщения воздуха водой в барабане 28, направляя его в этот барабан через открытый клапан 56. В том случае, когда количество пара, получаемого в секции 40 ПГРТ 22, едва отвечает или недостаточно для удовлетворения потребностей станции, для увеличения выходной мощности турбины и получения дополнительной электроэнергии следует использовать свежую воду 50, насыщая ей в барабане 28 подаваемый в камеру сгорания сжатый воздух 18.

Необходимо отметить, что увеличение температуры подаваемого в камеру сгорания сжатого воздуха, нагреваемого теплом, отбираемым от отработанных газов, увеличивает количество свежей воды или водяного пара, которое можно добавить к подаваемому в камеру сгорания воздуху при пиковом увеличении потребностей в электроэнергии, не опасаясь возможной конденсации воды в камере сгорания. Регенерация тепла в трех секциях ПГРТ 22 обеспечивает возможность эффективной работы газовой турбины 16 в режиме повышенной мощности без заметных потерь тепловой энергии, содержащейся в выбрасываемых в атмосферу отработанных газах, и позволяет тем самым снизить требования к тепловой нагрузке на отработанные в газовой турбине газы. Таким образом, регенерация тепловой энергии отработанных газов для нагревания подаваемого в камеру сгорания сжатого воздуха, свежей воды и водяного пара в сочетании с добавлением воды или водяного пара к подаваемому в камеру сгорания воздуху существенно увеличивает коэффициент полезного действия цикла и экономичность теплоэлектростанции и позволяет использовать на них более крупные газовые турбины.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения расход топлива, подаваемого в камеру 30 сгорания, регулируют с помощью терморегулятора (ТР) 58, который управляет работой клапана 60 и поддерживает температуру поверхности лопаток турбины на уровне, не превышающем предельно допустимой температуры, которая зависит от материала лопаток и определяется их пределом прочности при высоких температурах. Поддерживать температуру лопаток на соответствующем уровне можно не только за счет регулирования количества сжигаемого в камере сгорания топлива, но и за счет количества воды, подаваемой в насыщающий барабан 28.

Важной особенностью изобретения является возможность установки на теплоэлектростанции газовой турбины, у которой максимальная тепловая энергия отработанных в турбинной ступени газов превышает полезную тепловую нагрузку станции, что позволяет в полной мере использовать преимущества крупных турбин и повысить коэффициент полезного действия всего цикла производства электроэнергии. При этом, однако, в некоторых случаях, связанных с особенностями рынка, может оказаться необходимым уменьшить количество вырабатываемой электроэнергии путем соответствующего снижения выходной мощности газовой турбины. Предлагаемые в изобретении способы позволяют, о чем более подробно сказано ниже, обеспечить эффективную работу теплоэлектростанции в режиме пониженных нагрузок в условиях неблагоприятной цены на электроэнергию. При работе с пониженными нагрузками тепловая нагрузка отработанных газов может оказаться недостаточной для получения на станции необходимого количества пара и/или для нагрева масла. Для решения этой проблемы в изобретении предлагается установить в ПГРТ 22 дополнительные горелки 62, используя их для сжигания дополнительного количества топлива 64 и соответствующего нагрева отработанных газов 24 до температуры, необходимой для получения в секции 40 ПГРТ 22 необходимого количества побочного продукта или продуктов.

В одном из вариантов осуществления изобретения, предусматривающем получение водяного пара, количество топлива, сжигаемого в дополнительных горелках, регулируют с помощью регулятора 63 давления (РД) и клапана 68. Регулятор 63 давления контролирует давление в паровом коллекторе станции и, регулируя расход дополнительно сжигаемого топлива 64, поддерживает это давление на заданном уровне. Известно, что парогенератор 42 можно оборудовать устройствами, позволяющими получать пар разного давления от максимального до минимального, т.е. от 650 до 125 фунтов на кв.дюйм (или от 4583 до 993 кПа, абс.). Поэтому в регуляторе 63 давления можно использовать два или несколько регуляторов,

- 5 007033 контролирующих давление в различных паровых коллекторах, соединенных с общим паропроводом электростанции.

Экономический эффект, связанный с увеличением размеров турбины в результате осуществления предлагаемых в настоящем изобретении способов и использования соответствующей установки, можно оценить на основании приведенных ниже в табл. 1 результатов сравнения вырабатываемой электроэнергии, требуемой тепловой нагрузки и эффективности малых и крупных газовых турбин при различных способах регенерации тепла.

Таблица 1

Сравнение предлагаемого в изобретении способа с другими способами получения электрической и тепловой энергии на теплоэлектростанциях и на комбинированных электростанциях

Способ №	Основные особенности	Полезная мощность	Водяной пар с давлением 650 фунтов на кв.дюйм или 4583 кПа	Водяной пар с давлением 125 фунтов на кв.дюйм или 963 кПа	Удельный расход тепла
		МВт	килобаррели в час	килобаррели в час	БТЕ/кВт- ч
1 (способ по изобретению)	турбогенератор ОЕ7ЕА, когенерация, рекуперативный теплообменник	85,8	185	65	5990
2	турбогенератор ОЕ7ЕА, отбор пара/конденсация	101,6	185	65	6800
3	турбогенератор ОЕ7ЕА, полная когенерация (бестолочная)	85,8	326	44	6000
4	турбогенератор ОЕ7ЕА, когенерация (высокая температура отходящих газов)	85,8	185	65	8060
5	турбогенератор ОЕ7ЕА, комбинированный цикл	124,7	0	0	7800
6	турбогенератор (ЗЕ6В, полная когенерация (бестолочная)	40,3	155	20	6400

При определении удельного расхода тепла теплоэлектростанции учитывалась тепловая энергия, которой обладает получаемый на станции теплоноситель. Иными словами, удельный расход тепла на теплоэлектростанции определялся как частное от деления разности между теплотворной способностью топлива (БТЕ/ч), сжигаемого в газовой турбине, и теплотворной способностью топлива (БТЕ/ч), затраченного на получение когенерационного (побочного) теплоносителя, на полезную мощность электростанции (МВт).

Если, например, когенерационным (побочным) продуктом, получаемым на электростанции за счет тепла отработанных газов, является водяной пар, то экономия топлива на этой станции связана с отсутствием дополнительных затрат топлива для получения используемого соответствующим образом водяного пара. На станциях, работающих по комбинированному циклу, такая экономия топлива, связанная с получением когенерационного или побочного продукта, как очевидно, отсутствует.

Способ под номером 6 относится к использованию для производства электроэнергии относительно небольшого газотурбинного генератора СЕ6В фирмы Сепега1 Е1ес1пс, мощность турбины которого выбрана таким образом, чтобы полезная тепловая нагрузка станции не превышала тепловой энергии отработанных в турбине газов. Когенерационным (побочным) продуктом на станции с этим турбогенератором является водяной пар высокого и низкого давления, получение которого не требует сжигания топлива в дополнительных форсунках ПГРТ. Удельный расход тепла при получении электроэнергии по этому способу меньше, чем при получении электроэнергии тремя другими способами, однако, полезная мощность турбогенератора в этом случае сравнительно невелика. Поэтому для производства необходимого

- 6 007033 количества электроэнергии на станции требуется смонтировать несколько газотурбинных генераторов СЕ6В. что, как очевидно, связано с исключительно высокими капиталовложениями.

Способ под номером 3 позволяет оценить эффект, который можно получить на теплоэлектростанции при замене небольшого газотурбинного генератора крупным современным газотурбинным генератором СЕ7ЕА. Газотурбинный генератор СЕ7ЕА при меньшем удельном расходе тепла вырабатывает как минимум в 2 раза больше электроэнергии, чем газотурбинный генератор СЕ6В, однако, требует существенно большего теплоотвода или тепловой нагрузки на отработанные газы, о чем свидетельствует количество получаемого пара высокого давления (650 фунтов на кв.дюйм или 4583 кПа) и низкого давления (125 фунтов на кв.дюйм или 963 кПа). На многих электростанциях такое количество пара превышает количество пара, который можно в каких-либо целях использовать на электростанции, и поэтому на этих электростанциях тепловая энергия отработанных в турбине газов будет больше полезной тепловой нагрузки.

Способ под номером 4 позволяет оценить эффективность предлагаемого в изобретении способа, позволяющего снять ограничения на тепловую нагрузку на отработанные в турбине газы в теплоэлектростанции с газотурбинным генератором СЕ7ЕА. Для получения всего необходимого на электростанции водяного пара в ПГРТ достаточно регенерировать только определенную часть тепла, содержащегося в имеющих высокую температуру отработанных газах. Остальное тепло вместе с имеющими высокую температуру отработанными газами будет при этом выбрасываться в атмосферу. Такие потери выбрасываемого в атмосферу тепла, как очевидно, увеличивают общее потребление топлива. Поэтому на станции, в которой теплоотвод или полезная тепловая мощность меньше максимальной содержащейся в отработанных газах тепловой энергии, газотурбинный генератор ОЕ7ЕА при той же самой полезной мощности работает с намного большим удельным расходом тепла, чем на станции, работающей по способу под номером 3. Большой удельный расход тепла и существенно больший расход топлива из расчета на кВт-ч полученной электрической энергии заметно снижают экономические показатели станции при использовании на ней сравнительно крупных газотурбинных генераторов ОЕ7ЕА.

Способ под номером 1 убедительно подтверждает эффективность регенерации тепла предлагаемым в изобретении способом на теплоэлектростанции, схема которой показана на чертеже. Реализация предлагаемого в изобретении способа получения электроэнергии с непосредственным использованием отбираемой от отработанных газов тепловой энергии для нагрева подаваемого в камеру сгорания сжатого воздуха позволяет уменьшить удельный расход тепла по сравнению с теплоэлектростанциями, работающими с большей полезной тепловой нагрузкой, как это имеет место в способе под номером 3. В то же время, предлагаемый в изобретении способ отличается от способа под номером 4 меньшим количеством тепловой энергии, содержащейся в отработанных газах, и меньшей полезной тепловой нагрузкой, необходимой для их использования. Предлагаемый в изобретении способ отличается от способа под номером 4 и меньшими потерями тепла, содержащегося в выбрасываемых в атмосферу газах, а, следовательно, и существенно меньшим удельным расходом тепла. Крупный газотурбинный генератор ОЕ7ЕА, работающий при производстве электроэнергии предлагаемым в изобретении способом с теплообменником, позволяет при меньшем удельном расходе тепла и не намного большей тепловой нагрузке на отработанные газы получить как минимум в 2 раза больше электроэнергии, чем более мелкий газотурбинный генератор ОЕ6В. Снижение удельного расхода тепла частично объясняется более совершенной конструкцией крупных турбин и меньшими потерями на трение в подшипниках при более высокой выходной мощности. Необходимо также отметить, что строительство электростанции с несколькими относительно небольшими газотурбинными генераторами ОЕ6В обходится приблизительно на 150 $ на киловатт вырабатываемой электроэнергии дороже, чем с одним более крупным газотурбинным генератором.

Строительство и эксплуатация теплоэлектростанций, работающих по предлагаемому в изобретении способу, более выгодно, чем строительство и эксплуатация комбинированных электростанций. Под номером 5 в приведенной выше таблице указаны данные при производстве электроэнергии комбинированным способом на электростанции с газотурбинным генератором ОЕ7ЕА. На этой электростанции весь водяной пар, полученный в парогенераторе за счет тепла, содержащегося в отработанных газах турбины, используют для получения дополнительной электрической энергии в конденсационной паровой турбине. Такая электростанция имеет более высокую полезную мощность и не требует отвода тепла от отработанных газов. Комбинированная электростанция, однако, отличается очень высоким удельным расходом тепла, поскольку в конденсационной паровой турбине в электрическую энергию преобразуется только третья часть всей тепловой энергии, содержащейся в газах, отработанных в газовой турбине. Остальные две трети этого тепла теряются на охлаждение воды, необходимой для конденсации водяного пара.

Способ под номером 2 в приведенной выше таблице относится к производству электроэнергии с регенерацией тепла по схеме, в которой отработанные в турбинной ступени газы используют в отбирающем от них тепло парогенераторе для получения используемого в качестве источника тепла водяного пара высокого и низкого давления и получения водяного пара, который используется для выработки дополнительной электрической энергии в паровой конденсационной турбине. На станции, работающей по этому способу, можно получить больше полезной мощности, чем на станции, работающей по предлагаемому в изобретении способу (способ под номером 1), но при большем удельном расходе тепла из-за не

- 7 007033 совершенного по своим термодинамическим параметрам цикла работы конденсационной паровой турбины. Таким образом, предлагаемый в изобретении способ, решающий возникающую при использовании крупных газовых турбин проблему отвода тепла от отработанных газов, позволяет создать теплоэлектростанции, более эффективные, чем электростанции, работающие по комбинированному циклу.

На электростанции, работающей по предлагаемому в изобретении способу, не отраженному в табл. 1, к подаваемому в камеру сгорания сжатому воздуху можно также добавлять некоторое количество воды (см. чертеж и приведенное выше описание). В обычной газовой турбине количество воды, добавляемой к подаваемому в камеру сгорания воздуху, ограничено опасностью возможной конденсации воды. Предлагаемый в изобретении способ, увеличивающий температуру воздуха, подаваемого в камеру сгорания, позволяет в определенной степени снять это ограничение и увеличить количество добавляемой к воздуху воды. Увеличение количества воды, добавляемой к сжигаемому в камере сгорания воздуху, позволяет, в свою очередь, увеличить производство электроэнергии в режиме пикового возрастания потребностей более чем на 20%.

Предлагаемый в изобретении способ не только позволяет существенно снизить на теплоэлектростанциях тепловую нагрузку, необходимую для охлаждения отработанных в газовой турбине газов, но и существенно увеличивает коэффициент полезного действия цикла и позволяет при благоприятной цене увеличить производство электроэнергии.

Таблица 2

Некоторые параметры работы электростанции предлагаемым в изобретении способом при различных нагрузках

	Полная нагрузка	90% от полной нагрузки	85% от полной нагрузки	80% от полной нагрузки
Расход топлива (МБТЕ/ч)	901,99	821,74	790,71	761,13
Температура на выходе из компрессора (°Р)	701	637	627	621
Расход воздуха в компрессоре (килобаррели/ч)	2318	2091	2009	1936
Температура отработанных газов на выходе из турбины (°Р)	996	1029	1038	1047
Расход отработанных газов через турбину (килобаррели/ч)	2412	2129	2045	1972
Полезная мощность (МВт)	85,8	77,2	72,87	68,55

Табл. 2 иллюстрирует еще один важный аспект предлагаемого в настоящем изобретении способа производства электроэнергии, связанный с возможностью гибкого изменения режима работы электростанции. Обычно коэффициент полезного действия газовой турбины при снижении нагрузки от номинальной падает. Переход на пониженные нагрузки осуществляется, как правило, снижением до 80% от номинального расхода воздуха. Для уменьшения расхода воздуха используют расположенный на входе в турбину направляющий аппарат с поворотными лопатками. Температуру поверхности лопаток первой ступени турбины можно поддерживать на требуемом уровне путем регулирования расхода топлива. Уменьшение расхода воздуха при снижении мощности сопровождается снижением расхода топлива и, как следствие этого, падением температуры в турбинной ступени и снижением коэффициента полезного действия турбины.

Предлагаемая в изобретении схема регенерации тепла позволяет существенно уменьшить снижение коэффициента полезного действия при переходе турбины на работу с пониженными нагрузками. Связано это с наличием теплообменника 38, который при снижении нагрузки отбирает от отработанных газов больше тепла. В этой связи необходимо отметить, что падение давления газа в турбинной ступени 26 снижается при снижении расхода газа. Давление на выходе из компрессора 14 непосредственно связано с давлением на входе в турбинную ступень. Как следует из приведенных в табл. 2 данных, при уменьшении расхода сжатого воздуха 18 и уменьшении количества отработанных в турбине газов 24 температура на выходе из компрессора падает, поскольку при этом снижается степень сжатия, необходимая для создания на входе в турбинную ступень необходимого давления. При снижении нагрузки температура отработанных газов увеличивается, поскольку при этом давление на входе в турбинную ступень снижается, и газ расширяется в ней в меньшей степени. Благодаря этим двум факторам увеличивается интенсивность теплообмена (из-за возрастающей разности температур) и при одной и той же площади теплообменной поверхности от отработанных газов отбирается больше тепла даже при их меньшем расходе. Таким образом, теплоэлектростанция, в которой реализуется предлагаемый в изобретении способ регенерации теп

- 8 007033 ла, и при низких нагрузках, когда цена на электроэнергию сравнительно невелика (например, в ночное время за счет снижения расхода каменного угля с целью экономии), может работать без заметного снижения коэффициента полезного действия. Таким образом, при низкой цене на электроэнергию производитель электроэнергии получает возможность более экономичной работы с пониженной нагрузкой. При снижении нагрузки на генератор можно увеличить количество используемого на станции водяного пара, воспользовавшись для этого дополнительными горелками 62, установленными за теплообменником, в котором происходит регенерация тепла отработанных в турбине газов.

Таким образом, предлагаемые в настоящем изобретении способы и реализующая эти способы установка позволяют существенно снизить требования к тепловой нагрузке газовых турбин и использовать за счет этого на теплоэлектростанциях все преимущества крупных газовых турбин, позволяющих увеличить коэффициент полезного действия электростанции и снизить капиталовложения на 1 кВт получаемой электроэнергии. Изобретение позволяет также оптимизировать работу теплоэлектростанции в зависимости от стоимости электроэнергии при одновременном удовлетворении требований к тепловой нагрузке турбины и получении всего необходимого количества водяного пара или горячего масла. При нормальном состоянии рынка выполненная в соответствии с настоящим изобретением теплоэлектростанция может работать в режиме базовой нагрузки с непосредственным использованием регенерируемого тепла отработанных в турбине газов для нагрева подаваемого в камеру сгорания сжатого воздуха и с получением пара или горячего масла в количестве, не превышающем потребности станции. При увеличении потребностей в электроэнергии и повышении ее цены к подаваемому в камеру сгорания сжатому воздуху в соответствии с предлагаемым в изобретении способом можно добавлять воду, используя насыщенный водой воздух в турбинной ступени для увеличения ее выходной мощности в пиковом режиме при той же полезной тепловой нагрузке станции. При снижении потребностей в электроэнергии и падении ее цены турбогенератор можно перевести в режим работы с пониженной нагрузкой предлагаемым в изобретении способом путем уменьшения расхода воздуха и/или топлива с одновременным использованием при необходимости дополнительных горелок для удовлетворения потребностей станции в водяном паре или горячем масле. Таким образом, предлагаемый в изобретении способ обеспечивает возможность автоматического контроля и регулирования работы теплоэлектростанций в зависимости от текущего состояния рынка электроэнергии, ограничений на тепловую нагрузку на отработанные в турбине газы и существующих потребностей станции в водяном паре и горячем масле и повышает в конечном итоге их экономические показатели.

Необходимо отметить, что в рассмотренные выше конкретные варианты возможного выполнения изобретения можно вносить различные изменения и усовершенствования, не выходя при этом за объем изобретения, определяемый формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ производства электроэнергии на теплоэлектростанции, на которой сжигают смесь топлива и воздуха в камере сгорания с получением отработанных в турбине газов, отработанные в турбине газы охлаждают в процессе теплообмена сжатым воздухом до его подачи в камеру сгорания и охлажденные отработанные в турбине газы дополнительно охлаждают, используя содержащееся в них тепло для получения водяного пара или для нагрева жидкости, отличающийся тем, что к нагретому в процессе теплообмена с отработанными газами сжатому воздуху до его подачи в камеру сгорания добавляют воду, при этом расход добавляемой воды выбирают в соответствии с температурой сжатого воздуха таким образом, чтобы предотвратить возможное образование конденсата в камере сгорания.
2. Способ повышения КПД теплоэлектростанции, содержащей газовую турбину, имеющую компрессорную ступень, камеру сгорания и турбинную ступень, в которой происходит расширение газов, заключающийся в том, что в камеру сгорания подают топливо и сжатый воздух, сжигают топливо и воздух в камере сгорания с получением горячих продуктов сгорания, подают горячие продукты сгорания в турбинную ступень, в которой они расширяются и превращаются в отработанные газы, а их энергия используется для производства электроэнергии, регенерируют тепло отработанных в турбинной ступени газов в процессе теплообмена между ними и сжатым воздухом до его подачи в камеру сгорания с получением охлажденных отработанных газов и нагретого сжатого воздуха, и с использованием тепла, содержащегося в охлажденных отработанных газах, получают один или несколько побочных продуктов, отличающийся тем, что к сжатому воздуху до его подачи в камеру сгорания и после его нагрева отработанными газами добавляют воду, при этом расход добавляемой воды выбирают в соответствии с температурой сжатого воздуха таким образом, чтобы предотвратить возможное образование конденсата в камере сгорания.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при получении одного или нескольких побочных продуктов получают водяной пар.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при получении одного или нескольких побочных продуктов получают жидкий теплоноситель.

- 9 007033
5. Способ по п.2, отличающийся тем, что воду до ее добавления к сжатому воздуху нагревают охлажденными отработанными газами.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что температуру сжатого воздуха, подаваемого в камеру сгорания, поддерживают во избежание конденсации воды на достаточно высоком уровне.
7. Способ по п.2 или 5, отличающийся тем, что расход топлива, подаваемого в камеру сгорания, выбирают в соответствии с температурой горячих продуктов сгорания на входе в турбинную ступень газовой турбины.
8. Способ по п.2 или 7, отличающийся тем, что газовая турбина работает при меньшем максимального расходе топлива и меньшем максимального расходе воздуха.