RU2174615C2

RU2174615C2 - Gas-steam plant operation method

Info

Publication number: RU2174615C2
Application number: RU96118138/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Особов
Original assignee: Особов Виктор Исаакович
Priority date: 1996-09-12
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2001-10-10

Abstract

FIELD: gas-steam plants. SUBSTANCE: method includes compression of gaseous working medium (air), heating of compressed working medium by combustion of fuel, expansion of heated working medium, recovery of remaining heat of expanded working medium by generation of water steam, delivery of steam into gas duct before combustion of fuel, condensing of steam at exhaust and extraction of water from combustion products. Working process is carried out at least in two gas ducts which are either completely isolated or partially united and provided with separate exhaust. Steam is generated in exhaust flow of one gas duct and all steam or larger part of steam is directed into other gas duct in which components with higher steam content ratio are created. Consumption of steam exceeds consumption of air. Heating and expansion of steam-gas with subsequent condensation of steam are carried out in this duct. EFFECT: increased net efficiency of plant. 9 dwg

Description

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к способам работы и конструкции энергетических газотурбинных (ГТУ) и газопаровых установок (ГПУ). The invention relates to power engineering, and in particular to methods of operation and design of energy gas turbine (gas turbine) and gas-steam plants (gas turbine).

Известен способ работы ГПУ, включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела, подогрева сжатого рабочего тела сжиганием топлива, расширения подогретого рабочего тела, утилизации остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара и подвода полученного пара в газовый тракт перед сжиганием топлива (см. , например, Батенин В.М. и др. "Парогазовая установка с вводом пара в газовую турбину - перспективное направление развития энергетических установок", "Теплоэнергетика", 1993 г., N 10, стр.46-52). There is a known method of GPU operation, including the processes of compressing a gaseous working fluid, heating a compressed working fluid by burning fuel, expanding a heated working fluid, utilizing the residual heat of the expanded working fluid by generating water vapor and supplying the resulting steam to the gas path before burning fuel (see, for example, Batenin V.M. et al. "Combined-cycle plant with steam injection into a gas turbine - a promising direction for the development of power plants", "Heat Power Engineering", 1993, N 10, pp. 46-52).

Известен также способ работы ГТУ, в котором рабочий процесс осуществляется в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с разнотемпературными выхлопными потоками, выводимыми в общую утилизационную систему, в которой генерируется водяной пар, подводимый в один из газовых трактов перед сжиганием топлива (см. заявку РФ N 93 009679/06/008853). There is also a known method of GTU operation, in which the working process is carried out in two gas paths, separately or partially combined, with different temperature exhaust streams discharged into a common utilization system in which water vapor is generated that is supplied to one of the gas paths before burning fuel (see RF application N 93 009679/06/008853).

Недостатком указанного способа работы ГТУ является большой безвозвратный расход обессоленной воды, в 5-7 раз превышающий расход топлива. Поскольку расход воды в известных ГТУ с подводом пара в проточную часть не превышает 15-20%, извлечение ее из продуктов сгорания путем конденсации на выхлопе представляет большие трудности, так как при давлении на выхлопе, немного превышающем атмосферное (на величину гидравлических потерь в выхлопном тракте), парциальное давление водяных паров не превышает 0,3 кг/см², потребная температура конденсации составляет 60-70^oC. В то же время известно, что в утилизационных системах ГТУ и в паровых котлах допускают снижение температуры уходящих газов до величины не менее 100^oC, т.к. при более низкой температуре происходит интенсивное загрязнение поверхностей теплообмена.The disadvantage of this method of operation of gas turbines is a large irrevocable consumption of demineralized water, 5-7 times higher than fuel consumption. Since the water flow rate in the well-known gas turbines with steam supply to the flow part does not exceed 15-20%, it is very difficult to extract it from the combustion products by condensing on the exhaust, since the pressure on the exhaust is slightly higher than atmospheric pressure (by the amount of hydraulic losses in the exhaust tract ), the partial pressure of water vapor does not exceed 0.3 kg / cm ² , the required condensation temperature is 60-70 ^o C. At the same time, it is known that in the utilization systems of gas turbines and in steam boilers allow a decrease in the temperature of the flue gases about the value of not less than 100 ^o C, because at lower temperatures, intense heat exchange surface contamination occurs.

Целью изобретения является извлечение воды из продуктов сгорания при обеспечении высокой термодинамической эффективности газпаровой энергоустановки с подводом пара в газовый тракт. The aim of the invention is to extract water from the combustion products while ensuring high thermodynamic efficiency of a gas-steam power plant with steam supply to the gas path.

Указанная цель достигается тем, что рабочий процесс осуществляется по крайней мере в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с раздельными выхлопами, причем весь пар, генерируемый за счет утилизации остаточного тепла расширившегося рабочего тела, или наибольшая его часть подводится в один из газовых трактов, в котором создается соотношение компонентов с повышенным содержанием водяного пара, и в этом тракте производится конденсация водяного пара. This goal is achieved by the fact that the working process is carried out in at least two gas paths, separate or partially combined, with separate exhausts, with all of the steam generated by the utilization of the residual heat of the expanded working fluid, or its largest part, is supplied to one of the gas paths , in which the ratio of components with a high content of water vapor is created, and water vapor is condensed in this path.

Как показывают результаты анализа, при использовании данного предложения температура конденсации пара может быть поднята до 100^oC и выше при сохранении высокой термодинамической эффективности энергоустановки и обеспечена высокая степень конденсации вплоть до полного возврата воды. Так, например, при массовом расходе водяного пара, превышающем расход воздуха в три раза, и противодавлении на выхлопе 1,2 кг/см² абс. парциальное давление пара сравнивается с атмосферным и температура конденсации составляет 100^oC. Кроме того, улучшаются условия полезного использования тепла, выделяющегося при конденсации при более высокой температуре, например, для отопительных систем или для генерации пара в совмещенной паросиловой установке низкого давления.As the results of the analysis show, using this proposal, the condensation temperature of steam can be raised to 100 ^o C and higher while maintaining the high thermodynamic efficiency of the power plant and a high degree of condensation is ensured up to the complete return of water. So, for example, with a mass flow rate of water vapor exceeding the air flow rate by three times, and a back pressure at the exhaust of 1.2 kg / cm ² abs. the partial pressure of the steam is compared with atmospheric and the condensation temperature is 100 ^o C. In addition, the conditions for the beneficial use of the heat released during condensation at a higher temperature, for example, for heating systems or for generating steam in a combined low-pressure steam power installation, are improved.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном предложении, что свидетельствует о его соответствии критерию "существенные отличия". An analysis of the known technical solutions in the study area allows us to conclude that there are no signs in them that are similar to the essential distinguishing features in the claimed proposal, which indicates that it meets the criterion of "significant differences".

Схемы ГПУ, реализующих указанный способ работы, представлены на фиг. 1-9. GPU circuits implementing this method of operation are shown in FIG. 1-9.

Рассмотрим схему ГПУ, представленную на фиг. 1. ГПУ состоит из двух кинематически независимых двигателей, каждый из которых включает компрессоры 1 и 9, камеры сгорания 2, 4 и 10, турбины 3, 5 и 11, потребители мощности 6 и 12, парогенераторы-утилизаторы остаточного тепла выхлопных газов 7 и 8, сообщенные по выходу пара с газовым трактом одного из двигателей перед камерой сгорания 10, и размещенный на выхлопе этого двигателя конденсатор 13. Consider the GPU circuit shown in FIG. 1. GPU consists of two kinematically independent engines, each of which includes compressors 1 and 9, combustion chambers 2, 4 and 10, turbines 3, 5 and 11, power consumers 6 and 12, steam generators-utilizers of residual heat of exhaust gases 7 and 8 communicated by the output of steam with the gas path of one of the engines in front of the combustion chamber 10, and a capacitor 13 located on the exhaust of this engine.

Работа ГТУ осуществляется следующим образом. Компрессоры обоих двигателей 1 и 9 всасывают воздух, сжимают его и подают в камеры сгорания 2 и 10, а продукты сгорания расширяются в турбинах 3, 5 и 11. Получаемая при расширении избыточная мощность передается потребителям 6 и 12. На выхлопе турбин 5 и 11 размещены парогенераторы 7 и 8, испаряющие подаваемую в них воду за счет утилизации остаточного тепла выхлопных потоков, а полученный пар подводится в поток сжатого воздуха перед камерой сгорания 10. При этом концентрация пара в выхлопном потоке турбины 11 получается повышенной, превышает среднюю величину относительной доли пара для общего расхода компонентов всей установки в целом. Для увеличения расхода генерируемого пара между турбинами 3 и 5 размещена дополнительная камера сгорания 4. На выходе из парогенератора 8 размещен конденсатор 13, в котором благодаря высокой концентрации водяного пара и небольшого подпора на выходе конденсация происходит при парциальном давлении водяного пара, близком к атмосферному, и температуре, соответственно, близкой к 100^oC.The work of gas turbines is as follows. Compressors of both engines 1 and 9 suck in air, compress it and feed it into combustion chambers 2 and 10, and the combustion products expand in turbines 3, 5 and 11. The excess power received during expansion is transferred to consumers 6 and 12. The exhaust turbines 5 and 11 are located steam generators 7 and 8, evaporating the water supplied to them by utilizing the residual heat of the exhaust streams, and the resulting steam is fed into the compressed air stream in front of the combustion chamber 10. The steam concentration in the exhaust stream of the turbine 11 is increased, exceeds the average The reason for the relative proportion of steam for the total consumption of the components of the entire installation. To increase the flow rate of generated steam between the turbines 3 and 5, an additional combustion chamber 4 is placed. At the outlet of the steam generator 8, a condenser 13 is placed, in which, due to the high concentration of water vapor and a small pressure at the outlet, condensation occurs at a partial pressure of water vapor close to atmospheric, and temperature, respectively, close to 100 ^o C.

Эффективность энергоустановки тем выше, чем выше температура пара, подаваемого в тракт, поэтому может представляться целесообразным дополнительный перегрев пара, генерируемого в выхлопном потоке с меньшей температурой, в высокотемпературном выхлопном потоке, как показано на фиг. 2. The efficiency of a power installation is higher, the higher the temperature of the steam supplied to the tract, therefore, it may seem appropriate to overheat the steam generated in the exhaust stream with a lower temperature in the high-temperature exhaust stream, as shown in FIG. 2.

При большом относительном расходе водяного пара, высокой степени сжатия воздуха и относительно невысокой температуре парогаза, ограничиваемой предельной величиной теплоподвода в камере 10, может оказаться целесообразной генерация пара только в первом газовом выхлопном потоке, как показано на фиг. 3. With a large relative flow rate of water vapor, a high degree of air compression, and a relatively low vapor temperature, limited by the limiting amount of heat input in the chamber 10, it may be expedient to generate steam only in the first gas exhaust stream, as shown in FIG. 3.

ГПТУ может иметь частично объединенный воздушный тракт, как показано на фиг. 4. Разделение на два тракта здесь произведено после сжатия воздуха в компрессоре, так что парогазовый контур с относительно более низкой температурой парогаза передает всю мощность потребителю. При этом полученная в конденсаторе 13 вода через систему нагнетания и очистки 14 может быть возвращена в газовый тракт. The gas turbine engine may have a partially integrated air path, as shown in FIG. 4. The separation into two paths here is made after compressing the air in the compressor, so that the combined cycle with a relatively lower temperature of the combined gas transfers all the power to the consumer. In this case, the water obtained in the condenser 13 through the discharge and purification system 14 can be returned to the gas path.

При температуре конденсации около 100^oC становится термодинамически целесообразным совместить с процессом конденсации процесс генерации пара более низкого давления в конденсаторе-парогенераторе 15 совмещенного замкнутого паросилового контура (см. фиг. 5) с паровой турбиной низкого давления 16, приводящей свой потребитель мощности 17, и своим вакуумным конденсатором 18 с обычным для паросиловых установок давлением конденсации 0,03-0,05 кг/см² абс. и своей системой подачи 19. Полученная в таком контуре дополнительная мощность существенно повысит эффективный КПД энергоустановки. При этом газотурбинный контур может иметь компрессоры низкого давления 1 и высокого давления 20 с размещенным между ними теплообменником-охладителем 21.At a condensation temperature of about 100 ^° C., it becomes thermodynamically expedient to combine with the condensation process a lower-pressure steam generation process in the condenser-steam generator 15 of a combined closed steam-power circuit (see FIG. 5) with a low-pressure steam turbine 16 leading its power consumer 17, and with its vacuum condenser 18 with a condensation pressure of 0.03-0.05 kg / cm ² abs. and its feed system 19. The additional power received in such a circuit will significantly increase the effective efficiency of the power plant. In this case, the gas-turbine circuit may have low pressure compressors 1 and high pressure 20 with heat exchanger-cooler 21 located between them.

Разделение воздушных потоков может быть выполнено после частичного сжатия воздуха, за компрессором низкого давления 9, как показано на фиг. 6, а парогазовый тракт включит свой компрессор высокого давления 9. Separation of air flows can be performed after partial compression of the air, behind the low pressure compressor 9, as shown in FIG. 6, and the gas-vapor tract will turn on its high-pressure compressor 9.

Паровая турбина низкотемпературного паросилового контура может быть приводом предвключенного компрессора низкого давления 22 с теплообменником-охладителем 23, как показано на фиг. 7. Такое исполнение ГПУ может значительно расширить диапазон регулирования мощности при сохранении высокой эффективности ГПУ. The steam turbine of the low temperature steam power circuit may be the drive of an upstream low pressure compressor 22 with a heat exchanger-cooler 23, as shown in FIG. 7. This design of the GPU can significantly expand the range of power control while maintaining the high efficiency of the GPU.

В некоторых случаях может оказаться необходимым для повышения температуры конденсации пара до 100-110^oC повысить давление конденсации до 1,5-2 кг/см². При этом дальнейшее расширение оставшегося после конденсации газа в размещенной за конденсатором турбине невозможно по указанным выше причинам - загрязнение поверхностей теплообмена. В этом случае целесообразно использовать энергию этого потока для эжектирования другого газового выхлопного потока в эжекторе 24, увеличив тем самым степень расширения и полезную работу турбин газового тракта, как показано на фиг. 8.In some cases, it may be necessary to increase the condensation temperature of the steam to 100-110 ^o C to increase the condensation pressure to 1.5-2 kg / cm ² . In this case, further expansion of the gas remaining after condensation in the turbine located behind the condenser is impossible for the above reasons - contamination of the heat exchange surfaces. In this case, it is advisable to use the energy of this stream to eject another gas exhaust stream in the ejector 24, thereby increasing the degree of expansion and useful work of the turbines of the gas path, as shown in FIG. 8.

Реализация предложенных технических решений позволит повысить эффективный КПД ГТУ с подводом пара в газовый тракт (ГПУ) до максимально достигнутого уровня бинарных парогазовых энергоустановок при существенно большей удельной мощности, меньшей удельном стоимости и меньшем удельном расходе охлаждающей воды для конденсации пара. Кроме того, за счет существенно большего, чем в бинарных газопаровых установках, удельного подвода тепла на килограмм воздуха повышается общий коэффициент использования тепла при работе с отбором тепла на теплофикацию. The implementation of the proposed technical solutions will increase the effective efficiency of gas turbines with steam supply to the gas path (GPU) to the maximum achieved level of binary combined-cycle power plants with a significantly higher specific power, lower specific cost and lower specific consumption of cooling water for steam condensation. In addition, due to a significantly larger specific heat supply per kilogram of air than in binary gas-steam units, the overall heat utilization coefficient increases when working with heat extraction for heating.

Claims

The method of operation of a gas-steam installation, including compressing a gaseous working fluid of air, heating a compressed working fluid by burning fuel, expanding a heated working fluid, utilizing the residual heat of the expanded working fluid by generating water vapor, supplying the resulting steam to the gas path before burning fuel, condensing the steam at the exhaust, and water extraction from the combustion products, and the working process is carried out in at least two gas paths, separate or partially combined, with separate exhaust pami, characterized in that the steam is generated in the exhaust stream of only one gas path, and bring all of the steam or its largest part into another gas path, in which create a ratio of components with a high content of water vapor, the flow rate of which exceeds the air flow, and in this path produce heating and expansion of steam and gas followed by condensation of steam.