RU2248452C2

RU2248452C2 - Steam-gas power plant with simultaneous combustion of solid and gaseous fuel

Info

Publication number: RU2248452C2
Application number: RU2002101385/06A
Authority: RU
Inventors: А.У. Липец (RU); А.У. Липец; Л.В. Дирина (RU); Л.В. Дирина; С.М. Кузнецова (RU); С.М. Кузнецова; В.И. Длугосельский (RU); В.И. Длугосельский
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Инжиниринговая Компания "Зиомар"
Priority date: 2002-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2005-03-20

Abstract

FIELD: heat power engineering.

SUBSTANCE: proposed steam-gas power plant contains steam turbine unit with steam boiler operating on solid fuel and steam turbine, and gas-turbine unit with gas turbine using heated compressed air as working medium, surface heater of compressed air for heating compressed air by solid fuel combustion products, and gaseous fuel combustion chamber for additional contact heating of compressed air. Surface heater of compressed air is installed in high-temperature part of convection gas pass of steam boiler.

EFFECT: increased economy of steam-gas power plant at combustion of solid fuel.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при создании энергетических парогазовых установок (ПГУ), работающих на твердом топливе.The invention relates to the field of heat power and can be used to create power combined-cycle plants (CCGT) operating on solid fuel.

В настоящее время ПГУ получают все большее распространение. По сравнению с паротурбинными установками их удельная стоимость значительно ниже, а экономичность значительно выше и приближается к 58-60%. Принципиальным недостатком современных ПГУ является использование в качестве топлива только природного газа, ресурсы которого ограничены. В связи с этим во всем мире разворачиваются работы по получению горючего газа для ПГУ из твердого топлива путем внутрицикловой газификации [1] или при сжигании твердого топлива в кипящем слое под давлением [2]. Однако потребное для газификации оборудование достаточно сложно и дорого.Currently, CCGTs are becoming more widespread. Compared to steam turbine plants, their unit cost is much lower, and the cost-effectiveness is much higher and approaches 58-60%. The fundamental drawback of modern CCGT units is the use of only natural gas as a fuel, whose resources are limited. In this regard, work is underway around the world to obtain combustible gas for CCGT from solid fuel by means of gas-cycle gasification [1] or by burning solid fuel in a fluidized bed under pressure [2]. However, the equipment required for gasification is quite complicated and expensive.

Существует принципиально другой путь обеспечения возможности использования твердого топлива в ПГУ. Он заключается в производстве высокотемпературного воздуха высокого давления в работающем на твердом топливе паровом котле с последующей подачей этого воздуха в качестве рабочего тела в воздушную турбину. Известна, в частности, принимаемая в качестве прототипа настоящего изобретения парогазовая установка, содержащая паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с воздушной турбиной и расположенным в газоходе парового котла подогревателем сжатого воздуха [3]. Недостатком известной ПГУ является недопустимость нагрева сжатого воздуха в газоходе котла до температуры рабочего тела, используемого в современных газовых турбинах (1250°С) из-за отсутствия подходящих жаропрочных материалов для изготовления соответствующего подогревателя. Возможный же подогрев сжатого воздуха в качестве рабочего тела воздушной турбины до допустимой максимальной температуры (650°С) существенно снижает термический КПД цикла ПГУ.There is a fundamentally different way of ensuring the possibility of using solid fuel at CCGT. It consists in the production of high-temperature high-pressure air in a solid fuel-fired steam boiler, followed by the supply of this air as a working fluid to an air turbine. Known, in particular, is taken as a prototype of the present invention, a gas-vapor installation containing a steam turbine unit with a solid fuel-fired steam boiler and a steam turbine and a gas turbine unit with an air turbine and a compressed air heater located in the gas duct of the steam boiler [3]. A disadvantage of the known CCGT is the inadmissibility of heating compressed air in the boiler duct to the temperature of the working fluid used in modern gas turbines (1250 ° C) due to the lack of suitable heat-resistant materials for the manufacture of the corresponding heater. A possible heating of compressed air as the working fluid of an air turbine to an allowable maximum temperature (650 ° C) significantly reduces the thermal efficiency of the CCGT cycle.

Достигаемым результатом изобретения является обеспечение возможности работы ПГУ со сжиганием твердого топлива при высокой экономичности.The achieved result of the invention is the provision of the possibility of CCGT operation with the burning of solid fuel at high efficiency.

Указанный результат обеспечивается тем, что в парогазовой установке, содержащей паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом и паровой турбиной и газотурбинный блок с воздушной турбиной и расположенным в газоходе парового котла подогревателем сжатого воздуха, согласно изобретению газотурбинный блок дополнительно содержит камеру сгорания газообразного топлива, включенную в тракт подачи сжатого горячего воздуха от указанного подогревателя в воздушную турбину.This result is ensured by the fact that in a combined cycle plant containing a steam turbine unit with a solid fuel-fired steam boiler and a steam turbine and a gas turbine unit with an air turbine and a compressed air heater located in the gas duct of the steam boiler, according to the invention, the gas turbine unit further comprises a combustion chamber for gaseous fuel, included in the path of supplying compressed hot air from the specified heater to the air turbine.

Газотурбинный блок ПГУ согласно изобретению дополнительно может содержать регенератор тепла отработавшего в воздушной турбине рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами с выходом компрессора и входом подогревателя сжатого воздуха.The CCGT gas turbine unit according to the invention may further comprise a heat regenerator of the working fluid spent in the air turbine, connected on the cold side by air ducts with the compressor outlet and the inlet of the compressed air heater.

На фиг.1 схематически изображена ПГУ согласно настоящему изобретению в варианте с одноступенчатым нагревом сжатого воздуха; на фиг.2 - в варианте с двухступенчатым нагревом сжатого воздуха.Figure 1 schematically shows the CCGT according to the present invention in the embodiment with a single-stage heating of compressed air; figure 2 - in the embodiment with a two-stage heating of compressed air.

ПГУ по варианту фиг.1 содержит паротурбинный блок с работающим на твердом топливе паровым котлом 1 и паровой турбиной 2 и газотурбинный блок с воздушной турбиной 3 и расположенным в газоходе парового котла 1 (в высокотемпературной части конвективной шахты 4) подогревателем 5 сжатого воздуха. Газотурбинный блок дополнительно содержит камеру 6 сгорания газообразного топлива, включенную в воздухопровод 7 подачи сжатого горячего воздуха от подогревателя 5 в воздушную турбину 3. Компрессор 8 служит для подачи в подогреватель 5 сжатого воздуха. Кроме последнего, в конвективной шахте 4 за высокотемпературным подогревателем 5 сжатого воздуха могут быть установлены водяной экономайзер и другие низкотемпературные поверхности 9 нагрева паротурбинного блока. Газопровод 10 служит для подачи отработавшего в воздушной турбине 3 рабочего тела (воздуха в смеси с продуктами сгорания газообразного топлива) в топку парового котла 1, паропровод 11 - для подачи пара от котла 1 в паровую турбину 2.The CCGT unit according to the embodiment of FIG. 1 comprises a steam turbine unit with a solid fuel-fired steam boiler 1 and a steam turbine 2 and a gas turbine unit with an air turbine 3 and a heater 5 of compressed air located in the duct of the steam boiler 1 (in the high-temperature part of the convection shaft 4). The gas turbine unit further comprises a gaseous fuel combustion chamber 6 included in the compressed air hot air duct 7 from the heater 5 to the air turbine 3. The compressor 8 is used to supply compressed air to the heater 5. In addition to the latter, in the convection shaft 4 behind the high-temperature heater 5 of compressed air, a water economizer and other low-temperature heating surfaces 9 of the steam-turbine unit can be installed. The gas pipeline 10 serves to supply the working fluid spent in the air turbine 3 (air mixed with the combustion products of gaseous fuel) into the furnace of the steam boiler 1, the steam pipe 11 - to supply steam from the boiler 1 to the steam turbine 2.

По варианту фиг.2 ПГУ согласно изобретению дополнительно содержит регенератор 12 тепла отработавшего в воздушной турбине 3 рабочего тела, соединенный по холодной стороне воздухопроводами 13, 14 соответственно с компрессором 8 и подогревателем 5 сжатого воздуха. За регенератором 12 по ходу газов может быть установлена утилизационная установка 15 (котел-утилизатор, подогреватель сетевой воды и т.п.).According to the embodiment of FIG. 2, the CCGT unit according to the invention further comprises a heat regenerator 12 of the working fluid spent in the air turbine 3, connected on the cold side by air ducts 13, 14, respectively, to the compressor 8 and the compressed air heater 5. For the regenerator 12 in the course of the gases can be installed utilization unit 15 (recovery boiler, network water heater, etc.).

ПГУ согласно изобретению по варианту фиг.1 работает следующим образом. Воздух, сжатый в компрессоре 8 и догретый в подогревателе 5 до допускаемой работой металла подогревателя 5 и воздухопровода 7 температуры (650°С), подается в камеру 6 сгорания природного газа, где дополнительно подогревается до начальной температуры срабатывания рабочего тела в воздушной турбине 3 (1250°С). Отработавший в качестве рабочего тела воздух в смеси с продуктами сгорания газообразного топлива направляется по газопроводу 10 в топку парового котла 1 для использования в качестве окислителя в процессе горения твердого топлива. Вырабатываемый котлом 1 пар подается в паровую турбину 2.CCP according to the invention according to the variant of figure 1 works as follows. The air compressed in the compressor 8 and warmed up in the heater 5 to the temperature allowed by the operation of the metal of the heater 5 and the air duct 7 (650 ° C) is supplied to the natural gas combustion chamber 6, where it is additionally heated to the initial operating temperature of the working fluid in the air turbine 3 (1250 ° C). Exhausted as a working fluid, the air in a mixture with the combustion products of gaseous fuel is sent through a gas pipeline 10 to the furnace of a steam boiler 1 for use as an oxidizing agent in the combustion of solid fuel. The steam generated by the boiler 1 is supplied to the steam turbine 2.

Поскольку величина окончательного догрева воздуха в камере 6 сгорания здесь существенно меньше, чем в обычной ПГУ на природном газе, то на этот догрев соответственно требуется меньший расход природного газа. Очевидную выгоду ПГУ по настоящему изобретению можно проиллюстрировать простым расчетом. Пусть в камере сгорания обычной ПГУ, работающей на природном газе, сжатый в компрессоре воздух догревается, например, с 350 до 1250°С, то есть на 900°С. Соответствующий этим условиям расход природного газа обозначим G_o. Если согласно настоящему изобретению сжатый воздух догреется в подогревателе 5 с температуры 350 до 650°С, то для нагрева его до 1250°С соответствующий расход G природного газа будет составлять

. Таким образом экономится 33% природного газа, его тепло замещается теплом твердого топлива. В меру возрастания реальных разрешающих способностей металла эта экономия может возрастать.Since the value of the final heating of the air in the combustion chamber 6 is significantly less than in a conventional CCGT unit using natural gas, this heating requires a correspondingly lower consumption of natural gas. The obvious benefits of the CCGT of the present invention can be illustrated by simple calculation. Let the air compressed in a compressor in a combustion chamber of a conventional CCGT unit operating on natural gas be warmed up, for example, from 350 to 1250 ° С, i.e. 900 ° С. The natural gas flow corresponding to these conditions is denoted by G _o . If, according to the present invention, the compressed air warms up in the heater 5 from a temperature of 350 to 650 ° C, then for heating it to 1250 ° C the corresponding flow rate G of natural gas will be

. Thus, 33% of natural gas is saved, its heat is replaced by the heat of solid fuel. As the real resolution of the metal increases, this savings can increase.

В ПГУ согласно изобретению по варианту фиг.2 сжатый воздух после компрессора 8 первоначально нагревается в регенераторе 12 воздушной турбины 3, а затем уже догревается в подогревателе 5. Наличие регенератора 12 позволяет уменьшить поверхность нагрева высокотемпературного подогревателя 5.In the CCGT according to the invention according to the embodiment of FIG. 2, the compressed air after the compressor 8 is initially heated in the regenerator 12 of the air turbine 3, and then it is already heated in the heater 5. The presence of the regenerator 12 can reduce the heating surface of the high-temperature heater 5.

Большим достоинством настоящего изобретения является возможность его реализации на действующих электростанциях в порядке их технического перевооружения.A great advantage of the present invention is the possibility of its implementation at existing power plants in the order of their technical re-equipment.

Источники информацииInformation sources

1. Авторское свидетельство СССР №174590, 5 F 01 K 13/00, 1990.1. USSR copyright certificate No. 174590, 5 F 01 K 13/00, 1990.

2. Международная заявка № WO 9709515, 6 F 01 K 23/06, 1997.2.2. International application No. WO 9709515, 6 F 01 K 23/06, 1997.2.

3. Патент РФ №2099653, 6 F 25 B 29/00, 1994.3. RF patent No. 2099653, 6 F 25 B 29/00, 1994.

Claims

1. Combined-cycle plant comprising a steam turbine unit with a solid fuel-fired steam boiler and a steam turbine and a gas turbine unit with a gas turbine using heated compressed air as a working medium, a surface heater for compressed air with solid fuel combustion products, and a gaseous fuel combustion chamber for additional contact compressed air heater, characterized in that the surface compressed air heater is installed in the high-temperature part of the convective gas duct rovogo boiler.

2. Combined-cycle plant according to claim 1, characterized in that the gas turbine unit further comprises a heat regenerator of a working fluid spent in the gas turbine, connected on the cold side by air ducts to the compressor outlet and the inlet of the surface compressed air heater.