RU2248453C2 - Electric power station and method of power generation with combination of cycles - Google Patents

Electric power station and method of power generation with combination of cycles Download PDF

Info

Publication number
RU2248453C2
RU2248453C2 RU2001108540/06A RU2001108540A RU2248453C2 RU 2248453 C2 RU2248453 C2 RU 2248453C2 RU 2001108540/06 A RU2001108540/06 A RU 2001108540/06A RU 2001108540 A RU2001108540 A RU 2001108540A RU 2248453 C2 RU2248453 C2 RU 2248453C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
steam
cycle
power plant
fluid
heat
Prior art date
Application number
RU2001108540/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2001108540A (en
Inventor
III Виль м Скотт Роллинс (US)
III Вильям Скотт Роллинс
Original Assignee
III Вильям Скотт Роллинс
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by III Вильям Скотт Роллинс filed Critical III Вильям Скотт Роллинс
Publication of RU2001108540A publication Critical patent/RU2001108540A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2248453C2 publication Critical patent/RU2248453C2/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14Combined heat and power generation [CHP]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

Landscapes

  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: invention relates to power station and method of power generation basing on principle of combination of cycles providing higher specific capacity and flexibility of operating parameters of power station without corresponding increase of its thermal power rating. Process of improving thermal efficiency of combination cycles can be provided owing to use additional fuel and/or supply of heat. Particularly, gas turbines whose exhaust gases are delivered into steam generator for regeneration of heat can be additionally heated. Proposed system, as a whole, provides high efficiency of power station with combination of cycles mainly owing to Rankine (lower) cycle. Models of implementation of invention include load driven by engine of upper cycle set into action by liquid from upper cycle delivered into heat regeneration device. Said heat regeneration device is heated by additional fuel and/or from additional heat source to form higher energy consuming liquid of lower cycle and/or increase of amount of said liquid used as energy source for engine of lower cycle setting into motion load (potentially the same load as that in engine of upper cycle). Energy of liquid of upper cycle and liquid of lower cycle sets into action engines of upper and lower cycles, respectively, however, said liquids and/or exhaust of corresponding engines can found wide application at combined generation of heat and electric energy.
EFFECT: considerable increased of power rating of steam turbines and total efficiency of power station.
33 cl; 51 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Настоящее изобретение относится к электростанциям, использующим оборудование, которое может функционировать как с комбинированием, так и без комбинирования рабочих циклов. Как будет показано далее, все более увеличивающаяся потребность в более эффективных и экологически чистых способах получения энергии обусловила проведение масштабных исследований с целью создания систем и способов решения задач по этим направлениям. Однако современные технологии в основном достаточно близоруко оценивают совокупное влияние повышения эффективности способов получения энергии на экономику и окружающую среду.The present invention relates to power plants using equipment that can operate with or without combination of duty cycles. As will be shown below, the ever-increasing need for more efficient and environmentally friendly methods of energy production has led to large-scale research in order to create systems and methods for solving problems in these areas. However, modern technologies mainly fairly short-sightedly assess the combined effect of increasing the efficiency of energy production methods on the economy and the environment.

В рамках настоящего изобретения предлагается отойти от традиций и рассмотреть с учетом анализа влияния на экономику и экологию полный комплекс вопросов, необходимых для решения задачи создания энергоблока необходимой мощности. Настоящее изобретение благодаря использованию указанного анализа и применению метода дополнительной регенерации тепла и топлива позволяет значительно сократить экономические затраты и влияние на экологию действующих электростанций за счет уменьшения единиц оборудования при одновременном сохранении на прежнем уровне или допустимом уменьшении объема производимой электроэнергии. В результате такого усовершенствования будет получена более дешевая электроэнергия, более экологически чистым способом, чем это возможно при использовании традиционных энергоблоков, использующих комбинирование рабочих циклов, известных в настоящее время из существующего уровня техники.In the framework of the present invention, it is proposed to move away from tradition and consider, taking into account the analysis of the impact on the economy and the environment, the full range of issues necessary to solve the problem of creating a power unit of the required capacity. The present invention, through the use of this analysis and the application of the method of additional heat and fuel recovery, can significantly reduce the economic costs and environmental impact of existing power plants by reducing units of equipment while maintaining or maintaining an acceptable level of electricity production. As a result of such an improvement, cheaper electric energy will be obtained in a more environmentally friendly way than is possible with traditional power units using a combination of duty cycles currently known in the art.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Краткий обзорShort review

Электростанции и станции по производству тепла и электричества используют газовые турбины в качестве первичных двигателей для выработки энергии. Газовые турбины работают по термодинамическому циклу Брэйтона (Brayton) и обычно сбрасывают в атмосферу большое количество выхлопов, имеющих достаточно высокие температуры. Эти выхлопы, направленные в паровой котел для регенерации (так называемый парогенератор с регенерацией тепла - ПГРТ (HRSG), образуют пар, который можно использовать для получения дополнительной энергии и/или для текущего процесса. Для выработки дополнительной энергии пар может быть направлен в дополнительную паровую турбину (ST). Таким образом, газовые турбины работают по циклу Брэйтона, а паровые турбины вырабатывают энергию согласно циклу Рэнкайна (Rankine). Этот цикл получил название "комбинированный цикл". В этой схеме цикл паровых турбин Брэйтона называют "верхним циклом", а цикл паровых турбин Рэнкайна - "нижним циклом", так как в рамках "верхнего цикла" вырабатывается энергия, необходимая для работы нижнего цикла. Таким образом обеспечивается функциональная связь упомянутых циклов в рамках известного уровня техники.Power plants and heat and electricity plants use gas turbines as primary engines for generating energy. Gas turbines operate on the Brayton thermodynamic cycle and typically discharge a large number of exhausts at sufficiently high temperatures into the atmosphere. These exhausts sent to a steam boiler for regeneration (the so-called steam generator with heat recovery - HRSG) form steam that can be used to obtain additional energy and / or for the current process. To generate additional energy, the steam can be sent to additional steam turbine (ST) .Thus, gas turbines operate according to the Braiton cycle, and steam turbines generate energy according to the Rankine cycle. This cycle is called the "combined cycle." In this scheme, the Brae steam turbine cycle tone called "topping cycle," a Rankine cycle steam turbines - "bottoming cycle", as in the "topping cycle" is generated energy needed for lower loop thus ensures the functional connection of said loops within the prior art..

Цикл РэнкайнаRankine cycle

Пар используется для получения энергии более века. На более ранних этапах использовали насос для получения необходимого давления воды, паровой котел для нагревания воды до ее превращения в пар, а также паровой двигатель, обычно поршневого типа, для получения механической энергии. Такие установки использовались на заводах, локомотивах, пароходах и в других случаях, когда требовалось получение механической энергии.Steam has been used for energy for over a century. At earlier stages, a pump was used to obtain the required water pressure, a steam boiler to heat the water before it was converted to steam, and a steam engine, usually a piston type, to produce mechanical energy. Such plants were used in factories, locomotives, steamboats, and in other cases where mechanical energy was required.

С развитием техники тенденция использования паровых двигателей потеряла свое значение и более актуальным стало использование паровых турбин. Одним из преимуществ использования паровых турбин была эффективность их полного цикла, когда они использовались совместно с конденсатором. В этом случае пар достигает атмосферного давления, которое лишь незначительно выше абсолютного вакуума (от 0,5 до 2 фунтов на квадратный дюйм, абсолютное давление (psia). Это позволяет расширяться пару больше, чем в конфигурации с выхлопом в атмосферу, извлекать больше энергии из массы пара, вырабатывать таким образом больше энергии и, соответственно, увеличивать общую эффективность парового цикла. Данный полный паровой цикл, с термодинамической точки зрения, называют циклом Рэнкайна.With the development of technology, the trend of using steam engines has lost its significance and the use of steam turbines has become more relevant. One of the advantages of using steam turbines was the efficiency of their full cycle when they were used in conjunction with a condenser. In this case, the vapor reaches atmospheric pressure, which is only slightly higher than the absolute vacuum (from 0.5 to 2 psi, absolute pressure (psia). This allows the steam to expand more than in the configuration with the exhaust into the atmosphere, to extract more energy from mass of steam, thus generating more energy and, consequently, increasing the overall efficiency of the steam cycle.This full steam cycle, from the thermodynamic point of view, is called the Rankine cycle.

На Фиг.1 показан термодинамический режим цикла Рэнкайна. На графике (100) показана диаграмма цикла Рэнкайна в координатах давления и объема. От точки (101) до точки (102) вода находится под давлением при постоянном объеме. От точки (102) до точки (103) вода подвергается кипячению до превращения в пар при постоянном давлении. Отрезок от точки (103) до точки (104) показывает процесс, при котором пар изэнтропически расширяется и непосредственно выполняет работу. Затем от точки (104) до точки (101) пар, находящийся при низком давлении, конденсируется обратно до состояния воды, и цикл завершается.Figure 1 shows the thermodynamic regime of the Rankine cycle. The graph (100) shows a diagram of the Rankine cycle in the coordinates of pressure and volume. From point (101) to point (102), water is under pressure at a constant volume. From point (102) to point (103), the water is boiled until it turns into steam at constant pressure. The segment from point (103) to point (104) shows the process in which the steam isentropically expands and directly performs the work. Then, from point (104) to point (101), the steam at low pressure condenses back to the state of water, and the cycle ends.

На графике (110) показана диаграмма цикла Рэнкайна в зависимости от температуры и энтропии. От точки (111) до точки (112) вода находится под давлением. От точки (112) вода подвергается кипению при постоянной температуре до тех пор, пока она вся не превратится в пар, а затем она перегревается до точки (113). От точки (113) до точки (114) показан процесс, при котором пар изэнтропически расширяется и выполняет работу. От точки (114) до точки (111) пар, находящийся при низком давлении, подвергается конденсации до состояния воды при постоянной температуре, и цикл завершается. Информацию о цикле Рэнкайна можно найти в источнике: Eugene A.Avallone, Theodore Baumeister III. - Marks' Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) / ISBN 0-07-004127-Х, 1987, section 4-20.Graph (110) shows a diagram of the Rankine cycle versus temperature and entropy. From point (111) to point (112), water is under pressure. From point (112), water is boiled at a constant temperature until all of it turns into steam, and then it overheats to point (113). From point (113) to point (114), a process is shown in which the vapor isentropically expands and does the work. From point (114) to point (111), steam at low pressure undergoes condensation to a state of water at a constant temperature, and the cycle ends. Information on the Rankine cycle can be found in the source: Eugene A. Avallone, Theodore Baumeister III. - Marks' Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) / ISBN 0-07-004127-X, 1987, section 4-20.

Рабочий цикл электростанцииPower plant duty cycle

В течение нескольких десятков лет цикл Рэнкайна использовался для выработки большей части электроэнергии в США и многих других странах. На Фиг.2 показана схема базового цикла Рэнкайна, включающая четыре основных компонента: питательный насос (201), паровой котел с испарителем (203) и пароперегревателем (205), паровую турбину (207) и конденсатор (209). Следует обратить внимание, что может использоваться одна или несколько единиц каждого блока, но для простоты демонстрации на Фиг.2 показано по одной единице каждого устройства. Цикл Рэнкайна начинается (давление пара менее 3206,2 psia), когда вода поступает во впускное отверстие (211) питательного насоса (201). Вода под давлением (202) направляется в испаритель (203), в котором происходит нагревание воды под давлением. Обычно нагрев обеспечивается теплом, полученным за счет сжигания топлива в котле, тепло от процесса горения передается воде, которая проходит по трубам и/или проходам котла. Когда вода получает достаточное количество тепла, она закипает и превращается в пар (204). Пар на данном этапе находится в двухфазном состоянии: и пар, и вода сосуществуют при одинаковых давлении и температуре, называемых давлением насыщения и температурой насыщения. В большинстве конструкций, созданных в последние десятилетия, такой пар (204) направляется в пароперегреватель (205), где нагревается до температуры, превышающей показатель температуры насыщения. Такой пар (206) носит название "перегретый" пар. Перегретый пар уменьшает (но не снимает полностью) возможность попадания воды в паровую турбину (207), вызывающей нежелательные эффекты, так как это может существенно повредить внутреннюю часть паровой турбины. Более важным, однако, является то, что перегретый пар обеспечивает более высокую эффективность цикла. Это очень важно в случае крупных центральных электростанций.For several decades, the Rankine cycle has been used to generate most of the electricity in the United States and many other countries. Figure 2 shows the basic Rankine cycle diagram, including four main components: a feed pump (201), a steam boiler with an evaporator (203) and a superheater (205), a steam turbine (207) and a condenser (209). It should be noted that one or more units of each unit may be used, but for ease of demonstration, FIG. 2 shows one unit of each device. The Rankine cycle begins (steam pressure is less than 3206.2 psia) when water enters the inlet (211) of the feed pump (201). Water under pressure (202) is sent to the evaporator (203), in which the water under pressure is heated. Usually the heating is provided by the heat obtained by burning fuel in the boiler, the heat from the combustion process is transferred to the water that passes through the pipes and / or passages of the boiler. When water receives enough heat, it boils and turns into steam (204). Steam at this stage is in a two-phase state: both steam and water coexist at the same pressure and temperature, called saturation pressure and saturation temperature. In most designs created in recent decades, such steam (204) is sent to a superheater (205), where it is heated to a temperature above the saturation temperature. Such steam (206) is called "superheated" steam. Superheated steam reduces (but does not completely remove) the possibility of water entering the steam turbine (207), causing undesirable effects, as this can significantly damage the inside of the steam turbine. More important, however, is that superheated steam provides higher cycle efficiency. This is very important in the case of large central power plants.

После образования перегретый пар (206) через одну или несколько труб направляется в паровую турбину (207). В паровой турбине пар расширяется и приводит во вращение ротор. После прохождения турбины пар теряет давление, выходит из паровой турбины (208) и направляется в конденсатор (209), в котором превращается обратно в воду. Обычно это устройство выполняется в виде трубчатого теплообменника, но может быть выполнено и в ином виде, например, в виде распылительной камеры, воздухоохлаждаемого конденсатора или в виде иных устройств для теплообмена, используемых в аналогичных целях. После отбора тепла из пара низкого давления и его превращения в воду путем конденсации конденсатор собирает воду в отсеки, которые обычно называются сборниками конденсата (210), из которых конденсат обычно при помощи насоса пропускается по линии (211) и направляется вновь в питательный насос котла (201). Механическая энергия, выработанная паровой турбиной, преобразовывается в генераторе (212) в электрическую энергию. Такой цикл прохождения воды от начальной точки через вышеописанную систему и возвращения обратно к начальной точке является простым циклом Рэнкайна.After formation, superheated steam (206) is sent through one or more pipes to a steam turbine (207). In a steam turbine, steam expands and rotates the rotor. After the turbine passes, the steam loses pressure, leaves the steam turbine (208) and is sent to the condenser (209), in which it is converted back to water. Typically, this device is made in the form of a tubular heat exchanger, but can be made in another form, for example, in the form of a spray chamber, an air-cooled condenser, or in the form of other devices for heat exchange used for similar purposes. After heat is taken from low pressure steam and converted to water by condensation, the condenser collects water into compartments, which are usually called condensate collectors (210), from which condensate is usually passed through a line (211) using a pump and sent back to the boiler’s feed pump ( 201). The mechanical energy generated by the steam turbine is converted in the generator (212) into electrical energy. Such a cycle of water passing from the starting point through the above system and returning back to the starting point is a simple Rankine cycle.

В современных энергоблоках, использующих пар в качестве рабочего тела, для производства пара обычно используется котел. Котел может подогреваться различными видами топлива, включая нефть, природный газ, уголь, биологическую массу, а также и другие - такие как ядерное топливо. В котлах может использоваться комбинация из нескольких видов топлива. В зависимости от затрат на производство, себестоимости топлива, вопросов технического обслуживания и иных факторов владельцы и инженеры выбирают давление пара и уровень температуры, при которых котел вырабатывает пар.In modern power units using steam as a working fluid, a boiler is usually used to produce steam. The boiler can be heated by various types of fuel, including oil, natural gas, coal, biological mass, as well as others - such as nuclear fuel. In boilers, a combination of several fuels can be used. Depending on the cost of production, the cost of fuel, maintenance issues and other factors, owners and engineers choose the steam pressure and temperature level at which the boiler generates steam.

По причине внушительного размера и веса паровым турбинам требуется значительное время для разогрева. Это объясняется толстым металлическим корпусом и большими тяжелыми винтами, которые используются в их конструкции. Машинам требуется много времени для того, чтобы их тяжелые детали одинаково разогрелись во избежание интерференции между стационарными и движущимися частями, которая происходит из-за различного температурного расширения.Due to the impressive size and weight of steam turbines, considerable time is required for warming up. This is due to the thick metal case and large heavy screws that are used in their design. Machines take a long time for their heavy parts to heat up equally to avoid interference between stationary and moving parts, which occurs due to different thermal expansion.

Несмотря на то, что тяжелая конструкция обуславливает медленный процесс разогрева, она обеспечивает дополнительную прочность и стабильность уровня производства энергии. Даже после четырех лет почти постоянной работы показатели работы паровой турбины уменьшаются менее чем на 2%. Такое уменьшение показателей вместе с тем фактом, что питающие насосы потребляют только около 2% энергии, выработанной паровой турбиной, означает, что уровень показателей работы у паровых турбин остается практически на оптимальном уровне в течение длительного срока даже при уменьшении давления, создаваемого питающим насосом. Другими словами, если эффективность работы питающего насоса сокращается с 75 до 65%, затраты энергии на подачу воды увеличиваются с 2 до 2,31%. Это оказывает незначительное влияние в целом на производительность энергоблока, использующего цикл Рэнкайна, что и является одним из его основных преимуществ.Despite the fact that the heavy construction causes a slow heating process, it provides additional strength and stability of the level of energy production. Even after four years of almost constant operation, the performance of a steam turbine is reduced by less than 2%. This decrease in performance, together with the fact that the feed pumps consume only about 2% of the energy generated by the steam turbine, means that the level of performance of steam turbines remains almost at the optimal level for a long period even with a decrease in the pressure created by the feed pump. In other words, if the efficiency of the feed pump is reduced from 75 to 65%, the energy costs for water supply increase from 2 to 2.31%. This has a slight effect on the overall performance of a power unit using the Rankine cycle, which is one of its main advantages.

Цикл БрэйтонаThe Brighton cycle

Цикл Брэйтона существенно отличается от цикла Рэнкайна, так как основной составляющей цикла является компрессия рабочего тела, в качестве которого используется сжимаемый газ. В ходе данного процесса расходуется большое количество энергии, поэтому эффективная компрессия рабочего тела является неотъемлемым условием эффективности цикла Брэйтона. Распространенными двигателями, в которых используется цикл Брэйтона, являются турбовинтовые авиационные двигатели, двигатели реактивных самолетов и стационарные газовые турбины. Этапы работы двигателя включают: всасывание газа, сжатие его до более высокого давления, обычно в 3-30 раз выше, чем давление окружающего воздуха, последующее увеличение температуры посредством прямого горения (хотя может осуществляться нагрев внешним источником), расширение полученных горячих газов, находящихся под высоким давлением, в турбинном отсеке. Авиационные двигатели сначала создают тягу для поднятия самолета в воздух, поэтому вырабатываемая ими энергия почти никогда не является механической энергией (турбовинтовой газотурбинный двигатель может приводить в движение воздушный винт, а также может обеспечить тягу за счет высокой скорости выхлопа газов).The Brighton cycle is significantly different from the Rankine cycle, since the main component of the cycle is the compression of the working fluid, which is used as a compressible gas. During this process, a large amount of energy is consumed, therefore, effective compression of the working fluid is an integral condition for the effectiveness of the Brighton cycle. Common engines that use the Braithon cycle are turboprop aircraft engines, jet aircraft engines, and stationary gas turbines. The stages of engine operation include: gas suction, compression to a higher pressure, usually 3-30 times higher than the ambient air pressure, a subsequent increase in temperature through direct combustion (although heating by an external source can be carried out), expansion of the obtained hot gases under high pressure in the turbine compartment. Aircraft engines first create traction to raise the aircraft into the air, so the energy they produce is almost never mechanical energy (a turboprop gas turbine engine can propel a propeller, and can also provide traction due to the high speed of the exhaust gases).

В случае стационарных газовых турбин целью работы двигателя является выработка механической энергии. Приблизительно 2/3 энергии, выработанной турбиной, тратится на обеспечение работы компрессора, а 1/3 оставшейся выработанной энергии остается для работы с внешней нагрузкой. Этот недостаток газотурбинных систем может быть использован в качестве преимущества в настоящем изобретении, как это будет показано далее в настоящем документе.In the case of stationary gas turbines, the purpose of the engine is to generate mechanical energy. Approximately 2/3 of the energy generated by the turbine is spent on ensuring the operation of the compressor, and 1/3 of the remaining generated energy is left to work with an external load. This drawback of gas turbine systems can be used as an advantage in the present invention, as will be shown later in this document.

В авиационных двигателях используется цикл Брэйтона, поскольку такие двигатели имеют высокие коэффициенты соотношения силы тяги к массе. Это необходимо для минимизации массы самолета с тем, чтобы он мог летать. В случае стационарного применения газовые турбины используются для выработки электрической энергии при максимальной нагрузке. Еще одним преимуществом двигателей, работающих по циклу Брэйтона, по сравнению с циклом Рэнкайна, являются относительно быстрые запуск и остановка. Поскольку паровые турбины являются большими и тяжелыми, их приходится запускать медленно, так как необходим прогрев мощного корпуса во избежание термической деформации и возникновения трения между стационарными и вращающимися элементами. Паровой турбине электростанции может потребоваться 24 часа для разогрева и запуска с нуля до достижения полной мощности. Благодаря более низкому рабочему давлению и более легкой массе, газовые турбины легче запускать и они могут достичь полной мощности в течение нескольких минут.Aircraft engines use the Braiton cycle because these engines have high thrust to weight ratios. This is necessary to minimize the mass of the aircraft so that it can fly. In stationary applications, gas turbines are used to generate electrical energy at maximum load. Another advantage of the engines operating on the Braithon cycle, compared with the Rankine cycle, are relatively quick start and stop. Since steam turbines are large and heavy, they have to be started slowly, since it is necessary to warm up a powerful casing in order to avoid thermal deformation and the occurrence of friction between stationary and rotating elements. A power plant’s steam turbine may take 24 hours to warm up and start from scratch until it reaches full capacity. Due to their lower operating pressure and lighter weight, gas turbines are easier to start and can reach full power in a few minutes.

По этой причине многие коммунальные службы США и других стран используют газовые турбины для выработки электроэнергии в период скачка потребления. Газовые турбины не являются эффективными при непрерывном использовании в рамках дневного цикла (от 25% до 30%), но удовлетворяют потребности в электроэнергии в течение нескольких часов каждый день.For this reason, many utilities in the United States and other countries use gas turbines to generate electricity during a spike in consumption. Gas turbines are not effective for continuous use as part of the daily cycle (from 25% to 30%), but satisfy the demand for electricity for several hours every day.

Проектирование паровой турбиныSteam Turbine Design

При проектировании паровой турбины для ее использования на электростанции (при постоянной скорости) инженер-проектировщик сначала анализирует требуемые параметры турбины, определенные заказчиком. Это делается потому, что паровая турбина будет спроектирована в соответствии с требованиями заказчика и произведена для заказчика на основании его спецификаций. Паровая турбина проектируется не с нуля, как это можно понять из упоминания о проектировке "по заказу", а с использованием компонентов из "семейства" известных технических средств, но будет обладать уникальной системой распределения пара в каждом конкретном случае. После изучения параметров турбины инженер-проектировщик определяет условия использования пара в рамках конкретной электростанции и на основании полученных данных определяет, как будет происходить поступление рабочего тела в блок высокого давления турбины. Основываясь на этом, инженер-проектировщик выбирает оптимальную обшивку для блока высокого давления в каждом конкретном случае. Таким же образом он выбирает оптимальную обшивку и для камер промежуточного и низкого давления.When designing a steam turbine for its use in a power plant (at a constant speed), the design engineer first analyzes the required turbine parameters determined by the customer. This is because the steam turbine will be designed in accordance with customer requirements and produced for the customer based on its specifications. A steam turbine is designed not from scratch, as can be understood from the reference to design "on order", but using components from the "family" of well-known technical means, but it will have a unique steam distribution system in each case. After studying the parameters of the turbine, the design engineer determines the conditions for the use of steam within a particular power plant and, based on the data obtained, determines how the working fluid will enter the turbine’s high-pressure unit. Based on this, the design engineer selects the optimal casing for the high pressure unit in each case. In the same way, he chooses the optimal casing for intermediate and low pressure chambers.

Зная о том, какую обшивку использовать, инженер подбирает соответствующий набор лопастей турбины (стационарных и движущихся). Размер лопастей турбины определяется в основном в соответствии с объемом потока (в сравнении с массой потока) пара, проходящего сквозь турбину. После выбора обшивки и лопастей турбины инженер завершает проектирование паровой турбины, выбрав подходящие клапаны, средства управления, аппаратуру и другие устройства, необходимые для работы паровой турбины. Заключительный проект представляет собой разработку высокопроизводительной паровой турбины согласно требованиям заказчика.Knowing which casing to use, the engineer selects the appropriate set of turbine blades (stationary and moving). The size of the turbine blades is determined mainly in accordance with the volume of the stream (compared to the mass of the stream) of the steam passing through the turbine. After selecting the casing and blades of the turbine, the engineer completes the design of the steam turbine by selecting the appropriate valves, controls, equipment and other devices necessary for the operation of the steam turbine. The final project is the development of a high-performance steam turbine according to customer requirements.

В отношении указанной схемы проектирования интересно отметить, что две паровые турбины с одинаковыми параметрами пара, но с сильно отличающимися параметрами мощности (например, 200 МВт и 400 МВт), внешне могут выглядеть практически одинаковыми. Это происходит в силу того, что оптимально подобранная обшивка подходит для обеих турбин. Однако благодаря большой разнице в объеме потока пара, в большой турбине будут использоваться лопасти, вдвое большие по размеру (весу). Также интересно отметить, что в обеих турбинах может использоваться одинаковая обшивка блоков высокого и промежуточного давления. Это означает, что изготовление паровой турбины большего размера даже при значительно больших эксплуатационных параметрах может быть немногим более дорогостоящим, чем изготовление паровой турбины с меньшими эксплуатационными параметрами. Этот факт может рассматриваться как преимущество в настоящем изобретении, что будет показано далее в настоящем документе.With respect to this design scheme, it is interesting to note that two steam turbines with the same steam parameters, but with very different power parameters (for example, 200 MW and 400 MW), may look almost the same. This is due to the fact that optimally matched casing is suitable for both turbines. However, due to the large difference in the volume of the steam flow, blades that are twice as large in size (weight) will be used in a large turbine. It is also interesting to note that in both turbines the same cladding of high and intermediate pressure units can be used. This means that manufacturing a larger steam turbine even with significantly larger operating parameters may be slightly more expensive than manufacturing a steam turbine with lower operating parameters. This fact can be considered as an advantage in the present invention, which will be shown later in this document.

Проектирование газовой турбиныGas turbine design

В отличие от паровой турбины газовая турбина не производится индивидуально в соответствии с потребностями каждого заказчика. Хотя такие сопутствующие приспособления, как средства для запуска, устройства охлаждения машинного масла и устройства контроля могут быть заказаны для какого-либо конкретного случая, основной двигатель всегда остается номинальным. Многое из вышесказанного объясняется тем, что газовые турбины являются моноблочными электростанциями, которым требуется только топливо для производства энергии. И наоборот, паровые турбины являются всего лишь компонентом электростанции, и им требуется котел, питательный насос и конденсатор для того, чтобы они составили действующую электростанцию. Компрессорный отсек, камера сгорания и турбинный отсек газовой турбины должны проектироваться таким образом, чтобы они совмещались в единой конструкции. Поскольку проектирование газовой турбины является трудоемкой инженерной задачей, после завершения проектирования и проведения масштабного тестирования турбины запускаются в массовое производство без каких-либо изменений в чертежах основного двигателя. Это лишает заказчика возможности конкретно указывать мощность вырабатываемой энергии с использованием только газовых турбин или с комбинированием циклов в рамках существующего уровня техники. При строительстве электростанций с комбинированием циклов заказчику приходится выбирать из номинальных предложений производителя, которые наилучшим образом отвечают его потребностям в отношении мощности энергоблока, его производительности и стоимости.Unlike a steam turbine, a gas turbine is not produced individually according to the needs of each customer. Although related accessories such as starting means, engine oil cooling devices, and monitoring devices can be ordered for any particular case, the main engine always remains rated. Much of the above is explained by the fact that gas turbines are monoblock power plants that require only fuel to produce energy. Conversely, steam turbines are just a component of a power plant, and they need a boiler, feed pump and condenser to make up an existing power plant. The compressor compartment, the combustion chamber and the turbine compartment of the gas turbine must be designed in such a way that they are combined in a single design. Since the design of a gas turbine is a laborious engineering task, after completion of the design and large-scale testing, the turbines are launched into mass production without any changes in the drawings of the main engine. This makes it impossible for the customer to specifically indicate the power of the generated energy using only gas turbines or with a combination of cycles within the framework of the current level of technology. When constructing power plants with combined cycles, the customer has to choose from the nominal offers of the manufacturer that best suit his needs in terms of power unit, its productivity and cost.

Сравнение производительности газовых и паровых турбинComparison of gas and steam turbine performance

Имеющаяся на сегодняшний день самая большая и наиболее производительная газовая турбина с 60 циклами имеет мощность 250 МВт и эффективность 40% LHV (коэффициент низшей теплоотдачи). Примером такой газовой турбины является турбина Вестингхаус (Westinghouse), модель 501G. Параметры паровых турбин, для сравнения, могут достигать 1500 МВт, а эффективность превышать 45% LHV. Если сравнивать электростанции цикла Рэнкайна с электростанциями цикла Брэйтона, каждая из которых использует самые большие и наиболее производительные турбины, то можно сделать вывод, что одна паровая турбина цикла Рэнкайна имеет мощность приблизительно в шесть раз выше и эффективность на 12,5% больше, чем цикл Брэйтона с использованием лучших газовых турбин. Этот факт может быть приведен как преимущество настоящего изобретения, как это показано далее в настоящем документе.The largest and most productive gas turbine with 60 cycles available today has a capacity of 250 MW and an efficiency of 40% LHV (lower heat transfer coefficient). An example of such a gas turbine is the Westinghouse, Model 501G. Parameters of steam turbines, for comparison, can reach 1,500 MW, and the efficiency exceeds 45% LHV. If we compare the power plants of the Rankine cycle with the power plants of the Brighton cycle, each of which uses the largest and most efficient turbines, we can conclude that one steam turbine of the Rankine cycle has a capacity of about six times higher and an efficiency of 12.5% more than the cycle Brighton using the best gas turbines. This fact can be cited as an advantage of the present invention, as shown later in this document.

Цикл производства тепла и энергииHeat and energy production cycle

Одной из особенностей газовой турбины является то, что она выбрасывает большие объемы выхлопных газов при высокой температуре. В период арабского нефтяного эмбарго в 1973 году и роста цен в энергетическом секторе много внимания стало уделяться поиску путей использования энергии высокотемпературных выхлопных газов.One of the features of a gas turbine is that it emits large volumes of exhaust gas at high temperature. During the Arab oil embargo in 1973 and rising prices in the energy sector, much attention was paid to finding ways to use the energy of high-temperature exhaust gases.

Высокие цены в начале 1970-х годов ознаменовали волну строительства небольших электростанций, на которых применялся принцип когенерации. Когенерация может быть определена как одновременное производство механической или электрической энергии совместно с тепловой энергией. Другими словами, двигатель (газовая турбина или иное) используется для производства энергии, а в это время избыточное тепло, получаемое от работы двигателя, используется для другого процесса, что заменяет необходимое для этого процесса топливо. С точки зрения использования топлива, этот метод был очень эффективным и неизменно поощрялся законом США “О политике и регулировании деятельности общественных коммунальных служб” 1978 года, который предписывал местным коммунальным службам приобретать электроэнергию у квалифицированных производителей сопутствующей электроэнергии по цене, которая исключала затраты на новые электростанции.High prices in the early 1970s marked the wave of construction of small power plants, which used the principle of cogeneration. Cogeneration can be defined as the simultaneous production of mechanical or electrical energy together with thermal energy. In other words, the engine (gas turbine or otherwise) is used to produce energy, and at this time the excess heat received from the engine is used for another process, which replaces the fuel necessary for this process. In terms of fuel use, this method was very effective and was invariably promoted by the United States Public Utilities Policy and Regulation Act of 1978, which ordered local utilities to purchase electricity from qualified producers of associated electricity at a price that excluded the cost of new power plants .

Сначала станции по выработке тепловой и электрической энергии были небольшие, обычно менее 50 МВт. Они состояли из небольших газовых турбин с ПГРТ для производства пара. Во многих случаях давление пара было относительно низким (менее 600 фунтов на квадратный дюйм), так как пар использовался в технологическом процессе. Некоторые станции включали паровую турбину, другие - нет. С развитием промышленности более крупные электростанции с более высоким давлением пара стали проектироваться с учетом увеличения производительности нижнего цикла. Кроме того, наиболее крупные производители газовых турбин проектировали и строили более крупные и производительные газовые турбины для удовлетворения рыночной потребности в одновременном производстве тепловой и электрической энергии. Вскоре, благодаря высокой производительности, низкому уровню выхлопов и небольшим капитальным затратам, когенерационные электростанции уступили место электростанциям с комбинированием циклов (т.е. электростанции, которые производят только энергию и не обеспечивают выработку полезной тепловой энергии). И до сих пор иногда имеют место предложения о строительстве когенерационных электростанций, только теперь их обычно называют теплоэлектростанциями.At first, the stations for generating heat and electric energy were small, usually less than 50 MW. They consisted of small gas turbines with PGRT for steam production. In many cases, the vapor pressure was relatively low (less than 600 psi) since steam was used in the process. Some stations included a steam turbine, others did not. With the development of industry, larger power plants with a higher vapor pressure began to be designed to take into account the increase in lower cycle productivity. In addition, the largest gas turbine manufacturers have designed and built larger and more productive gas turbines to meet market demands for the simultaneous production of heat and electricity. Soon, due to high productivity, low emissions and low capital costs, cogeneration power plants gave way to combined cycle power plants (i.e. power plants that produce only energy and do not produce useful thermal energy). And until now, sometimes there are proposals for the construction of cogeneration power plants, only now they are usually called thermal power plants.

Хотя и имел место постепенный переход от небольших электростанций, вырабатывающих тепловую и электрическую энергию, к большим электростанциям с комбинированием циклов, общая система и способ производства электроэнергии оставались по большей части неизменными. Газовые турбины являлись основным двигателем, а тепло выхлопных газов использовалось для производства пара с помощью ПГРТ. Оптимизированные для максимального производства электроэнергии паровые турбины вырабатывали дополнительную электроэнергию, которая равнялась приблизительно 50% электроэнергии, произведенной газовыми турбинами. ПГРТ обычно представлял собой котел с двумя или тремя уровнями давления для обеспечения максимальной регенерации тепла, а паровая турбина проектировалась таким образом, чтобы она могла использовать пар всех уровней давления. Обзор производителей номинальных энергоблоков с комбинированием циклов продемонстрирует данную тенденцию. Пособие 1997 года по турбооборудованию (1997 TURBOMACHINERY HANDBOOK / USPS 871-500, ISSN 0149-4147) описывает номинальные электростанции с комбинированием циклов, предлагаемые различными производителями, включая "ABB", "General Electric" и "Westinghouse". Практически в каждом случае вырабатываемая мощность паровой турбины составляет приблизительно от 40% до 60% мощности газовой турбины. В информационном документе компании "General Electric" 1996 года (General Electric informative document GER-3567G, 1996, "GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics,") Фрэнка Дж. Брукса (Frank J. Brooks) описываются газовые турбины, используемые в электростанциях с комбинированием циклов.Although there was a gradual transition from small power plants that produce thermal and electric energy to large power plants with combined cycles, the overall system and method of generating electricity remained mostly unchanged. Gas turbines were the main engine, and the heat of the exhaust gases was used to produce steam using PGRT. Steam turbines optimized for maximum power generation generated additional electricity, which equaled approximately 50% of the electricity generated by gas turbines. PGRT was usually a boiler with two or three pressure levels to ensure maximum heat recovery, and the steam turbine was designed so that it could use steam of all pressure levels. A review of manufacturers of rated power units with combined cycles will demonstrate this trend. The 1997 Turbo Equipment Manual (1997 TURBOMACHINERY HANDBOOK / USPS 871-500, ISSN 0149-4147) describes rated combined cycle power plants offered by various manufacturers, including ABB, General Electric, and Westinghouse. In almost every case, the generated power of a steam turbine is approximately 40% to 60% of the power of a gas turbine. A 1996 General Electric informative document (General Electric informative document GER-3567G, 1996, GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics,) by Frank J. Brooks describes gas turbines used in power plants with a combination of cycles.

Коротко говоря, большинство производителей турбооборудования перешли от изготовления небольших когенерационных энергоблоков, производящих тепловую и электрическую энергию одновременно, к изготовлению энергоблоков с комбинированием циклов. Размеры энергоблоков с комбинированием циклов выросли от небольших когенерационных проектов по выработке менее 50 МВт электроэнергии до больших структурированных энергоблоков, вырабатывающих более 700 МВт электроэнергии (как, например, в случае энергоблока с комбинированием циклов Вестингхаус (Westinghouse) модели 2Х1 501G). Такие энергоблоки в основном являются газотурбинными, где паровая турбина вырабатывает дополнительную электроэнергию, номинально составляющую от 40% до 60% от электроэнергии, выработанной газовой турбиной. Так как газовые турбины являются основным двигателем, требования к параметрам номинальных энергоблоков с комбинированием циклов являются очень жесткими, поскольку газовые турбины являются поточной продукцией, а паровые турбины часто проектируются и производятся в соответствии с требованиями заказчика. Предлагаемая электростанция и способ получения энергии с комбинированием циклов характеризуются более гибкими подходами, одновременно позволяя сохранять такие преимущества энергоблоков с комбинированием циклов, как высокая производительность, низкий уровень выхлопов и низкие капитальные затраты, что найдет благоприятный отклик в промышленности.In short, most manufacturers of turbo-equipment have switched from manufacturing small cogeneration power units that produce thermal and electric energy at the same time, to manufacturing power units with combined cycles. The sizes of power units with combined cycles have grown from small cogeneration projects to generate less than 50 MW of electricity to large structured power units that generate more than 700 MW of electricity (as, for example, in the case of a power unit with combined cycles Westinghouse model 2X1 501G). Such power units are mainly gas turbine, where the steam turbine produces additional electricity, nominally constituting from 40% to 60% of the electricity generated by the gas turbine. Since gas turbines are the main engine, the requirements for the parameters of rated power units with combined cycles are very stringent, since gas turbines are in-line products, and steam turbines are often designed and manufactured according to customer requirements. The proposed power plant and a method of generating energy with a combination of cycles are characterized by more flexible approaches, while at the same time allowing you to save such advantages of power units with a combination of cycles, such as high productivity, low emissions and low capital costs, which will find a favorable response in the industry.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Оптимизация производительностиPerformance optimization

Нагрев питающей водыFeed water heating

Электростанции, использующие цикл Ренкайна, производят электроэнергии ежегодно на миллиарды долларов и потребляют огромное количество топлива каждый год, что ведет к тому, что большое внимание уделяется разработкам и анализу в направлении оптимизации цикла Ренкайна путем внедрения некоторых небольших изменений в уже существующие конфигурации. Фиг.3 демонстрирует некоторые общие изменения, которые используются для достижения оптимальной производительности цикла Ренкайна. Позицией (303) на Фиг.3 обозначен схематично изображенный первый нагреватель питающей воды. Это устройство обычно выполняется в виде оболочки и трубчатого теплообменника, но может представлять собой пластину и рамку теплообменника, вихревой смеситель теплообменника, который смешивает поступающую воду с небольшими количествами пара, или другое устройство для обеспечения теплообмена. В результате исследований было установлено, что использование получаемого из паровой турбины пара для предварительного нагрева воды до ее поступления в котел увеличивает производительность цикла.Power plants using the Rankine cycle generate billions of dollars of electricity annually and consume huge amounts of fuel every year, which leads to the fact that much attention is paid to development and analysis in the direction of optimizing the Rankine cycle by introducing some small changes to existing configurations. Figure 3 shows some general changes that are used to achieve optimal Renkine cycle performance. Reference numeral 303 in FIG. 3 is a schematic illustration of a first feed water heater. This device is usually made in the form of a shell and a tubular heat exchanger, but it can be a plate and a frame of a heat exchanger, a swirl mixer of a heat exchanger that mixes incoming water with small amounts of steam, or another device for providing heat exchange. As a result of studies, it was found that the use of steam obtained from a steam turbine for preheating water before it enters the boiler increases the cycle productivity.

Нагреватель питающей воды для нагрева использует пар, поступающий из паровой турбины на оптимальном для предварительного нагревания воды участке между выходным отверстием конденсатора (319) и впускным отверстием котла (306). Второй нагреватель питающей воды (305) также показан в этом примере. Количество нагревателей и их оптимальные характеристики потока пара определяются, но не ограничиваются, рядом показателей, включая давление на входе в паровую турбину, температуру на входе в паровую турбину, условия перегрева пара, эффективность нагревателя питающей воды, и иных факторов. Обычно количество нагревателей питающей воды, их конструкция и параметры пара, подаваемого в турбину, должны быть определены для каждой электростанции индивидуально с учетом разновидностей конструкций каждого энергоблока и особенностей эксплуатации.The feed water heater uses steam coming from a steam turbine in the optimum section for pre-heating water between the condenser outlet (319) and the boiler inlet (306). A second feed water heater (305) is also shown in this example. The number of heaters and their optimal characteristics of the steam flow are determined, but not limited, by a number of indicators, including the pressure at the entrance to the steam turbine, the temperature at the entrance to the steam turbine, the conditions of steam overheating, the efficiency of the feed water heater, and other factors. Typically, the number of feed water heaters, their design and the parameters of the steam supplied to the turbine should be determined for each power plant individually, taking into account the variety of designs of each power unit and the operating characteristics.

Повторный нагревReheat

Для одной из разновидностей цикла Ренкайна характерно использование повторного нагрева для повышения эффективности цикла. Этот вариант предполагает расширение пара в паровой турбине в расчетном режиме от впуска до некоторого заданного давления перегрева. При этом некоторая доля энергии пара уже используется для производства механической энергии (мощности по валу в л.с.). Отработанный низкоэнергетический пар затем возвращается в котел, где повторно нагревается. Повторно нагретый высокоэнергетический пар снова направляется в паровую турбину для производства добавочной энергии. В цикле повторный нагрев пара может использоваться более одного раза. С учетом заданных проектных режимов, давления и температуры на входе в турбину, а также при иных условиях такой перегрев применяется с целью повышения экономичности и эффективности цикла.One of the varieties of the Rankine cycle is characterized by the use of reheating to increase the efficiency of the cycle. This option involves the expansion of steam in a steam turbine in the design mode from the inlet to some predetermined superheat pressure. At the same time, a certain amount of steam energy is already used for the production of mechanical energy (shaft power in hp). The spent low-energy steam is then returned to the boiler, where it is reheated. The reheated high-energy steam is again sent to a steam turbine to produce additional energy. In a cycle, reheating steam can be used more than once. Given the specified design conditions, pressure and temperature at the entrance to the turbine, as well as under other conditions, such overheating is used to increase the efficiency and effectiveness of the cycle.

Иные факторыOther factors

Иными факторами, влияющими на эффективность цикла, являются давление и температура пара на входе в турбину, а также давление выхлопов. Обычно повышение входного давления и температуры обеспечивает соответствующее повышение эффективности. Понижение давления выхлопов также приводит к повышению эффективности. Давление выхлопов, как правило, определяется внешними факторами, например температурой речной воды, воздуха или иной жидкости, используемой для охлаждения конденсатора. Эти факторы устанавливают ограничения для давления выхлопов, а конденсатор и сопутствующее оборудование конструируются с учетом указанных ограничений и оценки требуемых параметров - таких как размер охлаждающих устройств, экологические факторы и затраты.Other factors affecting the efficiency of the cycle are the pressure and temperature of the steam at the turbine inlet, as well as the exhaust pressure. Typically, an increase in inlet pressure and temperature provides a corresponding increase in efficiency. Lowering the exhaust pressure also leads to increased efficiency. The exhaust pressure is usually determined by external factors, such as the temperature of river water, air or other liquid used to cool the condenser. These factors set limits on the exhaust pressure, and the condenser and associated equipment are designed to meet these limitations and evaluate the required parameters — such as the size of the cooling devices, environmental factors and costs.

Ограничения конструкцииDesign limitations

Давление и температура на входе в турбину обычно определяются разработчиком. Однако существуют накладываемые на конструкцию ограничения. С увеличением входного давления растет давление на трубки котла, обшивку и внутренние детали паровой турбины. Величина давления ограничивается возможностями производить оборудование необходимой прочности или экономической целесообразностью. Кроме того, при давлении пара выше 3206 фунтов на квадратный дюйм сосуществование жидкого и газообразного состояния больше не может продолжаться. Это состояние называется критической точкой пара, так как при более высоком давлении парообразование не происходит. А для производства пара при более высоком давлении требуются сосуществование воды и пара, а также более сложный сверхкритический котел. При увеличении температуры допустимое давление на трубки котла, обшивку и внутренние детали паровой турбины сокращается и приближается к существующим ограничениям, но традиционные материалы паровой турбины быстро теряют свои свойства даже при незначительном увеличении температуры (50 градусов по Фаренгейту - °F). Традиционные большие паровые турбины, сконструированные по последнему слову техники, имеют ограничение по максимальной температуре на входе рабочего тела в турбину на уровне 1050°F.The pressure and temperature at the turbine inlet are usually determined by the developer. However, there are design restrictions. With an increase in the inlet pressure, the pressure on the boiler tubes, casing and internal parts of the steam turbine increases. The pressure is limited by the ability to produce equipment of the necessary strength or economic feasibility. In addition, at vapor pressures above 3206 psi, the coexistence of the liquid and gaseous state can no longer continue. This state is called the critical point of steam, since vaporization does not occur at a higher pressure. And for the production of steam at a higher pressure, the coexistence of water and steam is required, as well as a more complex supercritical boiler. With increasing temperature, the permissible pressure on the boiler tubes, casing and internal parts of the steam turbine decreases and approaches the existing restrictions, but traditional materials of the steam turbine quickly lose their properties even with a slight increase in temperature (50 degrees Fahrenheit - ° F). Conventional large steam turbines constructed with the latest technology have a maximum temperature limit of 1050 ° F at the inlet of the working fluid to the turbine.

Оптимизация парового циклаSteam Cycle Optimization

После выбора температуры и давления в котле необходимо оптимизировать рабочий цикл. Типичный высокопроизводительный паровой цикл предусматривает использование нагревателей питающей воды, пароперегревателя, паровой турбины с промежуточным перегревом, питающих насосов котла и конденсатора. Источником, описывающим оптимизацию цикла, является информационный документ, выпущенный компанией “General Electric” под названием “Оптимизация, оценка и проведение тестирования цикла паровой турбины” автора Джеймса С. Райта (General Electric Reference GER-3642E, 1996 / James S.Wright). Этот документ описывает варианты работы для таких различных параметров цикла, как давление, температура, количество повторных нагревов и количество нагревателей питающей воды.After selecting the temperature and pressure in the boiler, it is necessary to optimize the duty cycle. A typical high-performance steam cycle involves the use of feed water heaters, a superheater, a steam turbine with intermediate overheating, boiler feed pumps and a condenser. The source describing cycle optimization is an information document issued by General Electric entitled “Optimization, Evaluation, and Testing of a Steam Turbine Cycle” by James S. Wright (General Electric Reference GER-3642E, 1996 / James S. Wright). This document describes the operating options for various cycle parameters such as pressure, temperature, number of reheats and number of feed water heaters.

Пример цикла РенкайнаRenkine cycle example

На Фиг.3 схематически изображен цикла Ренкайна, включающий как нагрев питающей воды, так и перегрев. Такой субкритический цикл Ренкайна работает путем подачи воды на вход питающего насоса котла (301). Затем при помощи питающего насоса (301) давление воды увеличивается до значения, необходимого для нагнетания воды. Вода под давлением подается по линии для подачи воды (302) в нагреватель питающей воды (303), а затем по линии подачи воды (304) в нагреватель питающей воды (305). Нагреватели питающей воды (303, 305) предварительно подогревают воду до ее поступления в котел через входной патрубок (306). Предварительно нагретая вода поступает в испаритель (307) котла, где вода под давлением дополнительно разогревается.Figure 3 schematically depicts the Rankine cycle, including both heating the supply water and overheating. Such a subcritical Rankine cycle works by supplying water to the inlet of the boiler feed pump (301). Then, using the feed pump (301), the water pressure is increased to the value necessary to pump water. Water under pressure is supplied through a water supply line (302) to a feed water heater (303), and then through a water supply line (304) to a feed water heater (305). Feed water heaters (303, 305) preheat the water before it enters the boiler through the inlet pipe (306). Preheated water enters the boiler evaporator (307), where the water is additionally heated under pressure.

Пар выходит из испарителя (308) и продолжает двигаться к пароперегревателю (309) и выходит по линии (310). Перегретый пар направляется в зону промежуточного давления паровой турбины (311). Пар расширяется в зоне промежуточного давления по линии (312) и затем возвращается в зону перегрева котла (313), где при помощи дополнительного тепла доводится до температуры на уровне или близкой к уровню входной температуры пара. Далее этот повторно нагретый пар по линии (314) направляется в секцию промежуточного давления (ПД) паровой турбины для создания дополнительного напора. В секции ПД (315) пар расширяется, вырабатывая механическую энергию. После этого пар покидает секцию промежуточного давления и через перепускную трубку (316) попадает в секцию низкого давления (НД) паровой турбины (317).Steam leaves the evaporator (308) and continues to move to the superheater (309) and leaves line (310). Superheated steam is directed to the intermediate pressure zone of the steam turbine (311). Steam expands in the intermediate pressure zone along line (312) and then returns to the boiler overheating zone (313), where it is brought to the temperature at or close to the input temperature of the steam with the help of additional heat. This reheated steam is then sent via line (314) to the intermediate pressure section (PD) of the steam turbine to create additional pressure. In the PD section (315), the steam expands, producing mechanical energy. After that, the steam leaves the intermediate pressure section and through the bypass pipe (316) enters the low pressure section (LP) of the steam turbine (317).

Из-за потоков большого объема при низком давлении в работе крупных агрегатов секция низкого давления обычно имеет два направляющих отсека, поэтому пар поступает в середину обшивки и для производства большего количества механической энергии перемещается через лопасти как вперед, так и назад. Затем этот пар выходит по линии (318) и попадает в конденсатор (319). Сконденсированный пар, минуя сборник конденсата (330), по линии (320) направляется к впускному отверстию питающего насоса (301) котла. Для нагревания питающей воды пар из секций промежуточного и низкого давления (321) и (324) паровой турбины направляется к нагревателям питающей воды (305) и (303), соответственно, по линиям (323) и (326). В указанных линиях, а также линиях (322) и (325) используются обратные клапаны для предотвращения оттока пара в паровую турбину в случае чрезвычайных обстоятельств (например, внезапного отключения), когда давление в турбине стремительно падает до уровня давления в конденсаторе. Такие клапаны могут быть или открыты, или закрыты и предназначены только для обеспечения безопасности. Пар из этих трубопроводов отбора пара, направляясь в котел, предварительно нагревает питающую воду. При этом он конденсируется в нагревателях питающей воды, а конденсат (327, 328) возвращается к впускному отверстию питающего насоса (301). Механическая энергия, вырабатываемая паровой турбиной, преобразовывается в электрическую энергию генератором (329).Due to the large volume flows at low pressure in the operation of large aggregates, the low pressure section usually has two guide compartments, so the steam enters the middle of the casing and moves through the vanes forward and backward to produce more mechanical energy. Then this steam leaves line (318) and enters the capacitor (319). Condensed steam, bypassing the condensate collector (330), is sent along line (320) to the inlet of the boiler feed pump (301). To heat the feed water, steam from the intermediate and low pressure sections (321) and (324) of the steam turbine is directed to the feed water heaters (305) and (303), respectively, along lines (323) and (326). In these lines, as well as lines (322) and (325), non-return valves are used to prevent the outflow of steam into the steam turbine in case of emergency (for example, sudden shutdown), when the pressure in the turbine rapidly drops to the pressure level in the condenser. Such valves can be either open or closed and are intended only for safety. Steam from these steam extraction pipelines, heading into the boiler, preheats the feed water. At the same time, it condenses in the feed water heaters, and the condensate (327, 328) returns to the inlet of the feed pump (301). The mechanical energy produced by a steam turbine is converted into electrical energy by a generator (329).

Для более мощных центральных электростанций обычным давлением для субкритических случаев является уровень 1800 и 2400 psia. Для суперкритических условий может также использоваться давление от 3500 фунтов на квадратный дюйм и выше. Входная температура пара для большинства мощных паровых турбин ограничена 1050°F и для входного, и для перегретого потока. Однако в некоторых паровых турбинах, работающих по усовершенствованной технологии, используются входная температура 1070°F для впуска высокого давления и 1112°F для перегрева, как это детально описано в документе о паровых турбинах, выпущенном компанией “General Electric” под названием “Паровые турбины для ультрасверхкритических электростанций” авторов Клауса М. Ретцлаффа и В. Антони Руггера ("Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants" by Klaus M.Retzlaff and W.Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945,1996).For more powerful central power plants, the common pressure for subcritical cases is 1800 and 2400 psia. For supercritical conditions, pressures from 3500 psi or higher can also be used. The inlet steam temperature for most high-power steam turbines is limited to 1050 ° F for both inlet and superheated flows. However, some advanced-technology steam turbines use an inlet temperature of 1070 ° F for high-pressure inlets and 1112 ° F for overheating, as described in detail in a steam turbine published by General Electric under the title “Steam Turbines for ultrascritical power plants ”by Klaus M. Retzlaff and W. Anthony Rugger (“ Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants ”by Klaus M. Retzlaff and W. Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945,1996).

Эффективность работы по циклу РенкайнаRankine cycle performance

В таблице на Фиг.4 на примере паровой турбины с эффективностью 90% проведено сравнение базового цикла Ренкайна (Вариант 1) (за исключением производительности котла и норм помех по мощности), цикла, в котором используется только повторный нагрев (Вариант 2, Вариант 3), и цикла, использующего повторный нагрев наряду с нагреванием питающей воды (Вариант 4 и Вариант 5). Также включены примеры при различном входном давлении и перегреве (Вариант 3), а также с нагреванием питающей воды (Вариант 5). Вариант 6 и Вариант 7 применяются для сверхкритических условий паровых циклов. Вариант 6 отражает сверхкритический паровой цикл с ультрасверхкритическими (температура во впускном отверстии или температура перегрева выше 1050° по Фаренгейту) характеристиками парового потока и двойным повторньм нагревом (пар нагревается дважды, при двух различных уровнях давления в котле). Вариант 7 идентичен Варианту 6 с добавлением нагревания питающей воды. В целях данного сравнения использовались только две экстракции пара, и предполагалось, что давление экстракции было на уровне давления холодного повторного нагрева и переходного давления (второй холодный повторный нагрев для сверхкритических циклов). Использование большего количества нагревателей питающей воды позволит достичь большей производительности циклов. Информационный документ компании “General Electric” под названием “Оптимизация цикла паровых турбин, оценка и тестирование действия” Джеймса С. Райта ("Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing Considerations" (General Electric Reference GER-3642E, 1996) by James S. Wright)) приводит данные по выбору оптимального количества нагревателей питающей воды, указывая, что 1,5% штрафной удельный расход тепла оценен из расчета трех нагревателей питающей воды против семи. Таким образом, имеются возможности для улучшения производительности цикла нагревания питающей воды, показанного на Фиг.4 (Варианты 4, 5 и 7). При использовании повторного нагрева, оптимального нагревания питающей воды и ультрасверхкритических условий паровых потоков возможно достижение совокупной производительности цикла электростанции свыше 45%.In the table in FIG. 4, for an example of a steam turbine with an efficiency of 90%, a comparison of the basic Rankine cycle (Option 1) is carried out (except for the boiler performance and interference standards for power), a cycle in which only reheating is used (Option 2, Option 3) , and a cycle using reheating along with heating feed water (Option 4 and Option 5). Examples are also included for varying inlet pressures and overheating (Option 3), as well as heating feed water (Option 5). Option 6 and Option 7 apply to supercritical steam cycle conditions. Option 6 reflects a supercritical steam cycle with ultra-supercritical (temperature at the inlet or superheat temperature above 1050 Fahrenheit) characteristics of the steam flow and double reheating (the steam is heated twice at two different pressure levels in the boiler). Option 7 is identical to Option 6 with the addition of heating feed water. For the purposes of this comparison, only two steam extractions were used, and it was assumed that the extraction pressure was at the level of cold reheat pressure and transient pressure (second cold reheat for supercritical cycles). The use of more feed water heaters will achieve greater cycle performance. General Electric Reference Paper GER-3642E, 1996, entitled “Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing” by James S. Wright (1996) by James S. Wright)) provides data on the selection of the optimal number of feed water heaters, indicating that a 1.5% penalty specific heat consumption was estimated based on three feed water heaters versus seven. Thus, there are opportunities for improving the performance of the feed water heating cycle shown in FIG. 4 (Options 4, 5 and 7). Using reheating, optimal heating of the supply water and ultra-supercritical conditions of steam flows, it is possible to achieve a total capacity of the power plant cycle of more than 45%.

Совокупная производительность цикла электростанции (к.п.д.) включает не только производительность базового парового цикла, как показано на Фиг.4, но и производительность котла и нормы помех по мощности в отношении, например, питающих насосов котла и конденсаторных насосов с циркулирующей водой. Как указано в журнале “POWER MAGAZINE” (ISSN 0032-5929, July/August 1998, page 26):The total capacity of the power plant cycle (efficiency) includes not only the performance of the basic steam cycle, as shown in FIG. 4, but also the productivity of the boiler and the norms of power interference in relation to, for example, boiler feed pumps and condenser pumps with circulating water . As stated in the magazine “POWER MAGAZINE” (ISSN 0032-5929, July / August 1998, page 26):

“За последние несколько лет появились новые разработки для увеличения производительности паровых электростанций, и основная часть таких разработок связана с паровой турбиной. Производительность на уровне 45% LHV (коэффициент низшей теплоотдачи) или выше сейчас стала возможной с появлением новейших паровых электростанций, работающих на ископаемом топливе с использованием самых высоких параметров пара, усовершенствованных циклов нагревания питающей воды, достижений металлургии в производстве котлов и турбин и т.д.”.“Over the past few years, new developments have appeared to increase the productivity of steam power plants, and most of these developments are related to a steam turbine. Productivity at the level of 45% LHV (lower heat transfer coefficient) or higher is now possible with the advent of the latest steam power plants operating on fossil fuels using the highest steam parameters, advanced heating cycles of feed water, metallurgy achievements in the manufacture of boilers and turbines, etc. . ”.

Достижение уровня совокупной производительности электростанции 45% LHV, включая производительность котла и нормы помех по мощности, обычно означает, что производительность базового парового цикла должна даже превышать 45%. При производительности котла 85%, нормах помех по мощности 2,5%, соотношении по топливу коэффициента HHV (коэффициент высшей теплоотдачи) к коэффициенту LHV, равном 1,11 (что типично для природного газа), а также производительности электростанции 45% (LHV) базовая производительность парового цикла будет рассчитываться как:Achieving a combined plant capacity of 45% LHV, including boiler performance and power interference standards, usually means that the basic steam cycle should even exceed 45%. With a boiler productivity of 85%, interference norms for power of 2.5%, a ratio of HHV coefficient (higher heat transfer coefficient) to LHV coefficient equal to 1.11 (which is typical for natural gas), and a power plant capacity of 45% (LHV) basic steam cycle productivity will be calculated as:

Figure 00000002
Figure 00000002

Как показано в таблице на Фиг.4, использование цикла перегрева пара при значениях давления согласно таблице может увеличить базовую производительность цикла Ренкайна на 4,79%. Однако использование перегрева, так же, как использование увеличенного входного давления и нагревания питающей воды, может увеличить производительность не менее чем на 10,3% для субкритических условий работы пара. (Необходимо отметить, что улучшение производительности представляет собой отношение производительности конкретного варианта к базовой производительности. Таким образом, цикл с 40-процентной производительностью преобразует в электричество 40% входной энергии. Это в два раза больше, чем в случае 20-процентного цикла. Следовательно, улучшение производительности с 20% до 40% составляет 100% или двойной объем выработанной энергии).As shown in the table of FIG. 4, the use of a steam superheat cycle at pressure values according to the table can increase the base performance of the Rankine cycle by 4.79%. However, the use of overheating, as well as the use of increased inlet pressure and heating of the supply water, can increase the productivity by at least 10.3% for subcritical conditions of steam operation. (It should be noted that performance improvement is the ratio of the performance of a particular option to the base performance. Thus, a cycle with a 40 percent output converts 40% of the input energy into electricity. This is two times more than in the case of a 20 percent cycle. Therefore, performance improvement from 20% to 40% is 100% or double the amount of energy generated).

Важнейшее значение для электростанций имеет производительность топлива, и мощные центральные электростанции, использующие сжигание угля, могут расходовать около 140 миллионов долларов ежегодно на топливо из расчета мощности электростанции 1000 MB, тепловой производительности 45% LHV, 2,00 доллара за миллион БТЕ (BTU) для топлива и 8500 рабочих часов в год. Исходя из этого, даже 1-процентное увеличение производительности будет означать большую экономию по топливу (1,4 миллиона долларов ежегодно).Fuel efficiency is critical for power plants, and powerful central coal burning plants can spend about $ 140 million annually on fuel based on a power plant capacity of 1000 MB, a thermal capacity of 45% LHV, $ 2.00 per million BTU (BTU) for fuel and 8500 working hours per year. Based on this, even a 1 percent increase in productivity will mean greater fuel savings ($ 1.4 million annually).

Комбинированный циклCombined cycle

Несмотря на то, что цикл Ренкайна доказал свою эффективность, сегодняшние более строгие энергетические и экологические стандарты требуют уделять больше внимания вопросам производительности топлива и уменьшения выхлопов от электростанций. Это привело к потребности в разработке и строительстве новых электростанций с комбинированием циклов.Although the Renkine cycle has proven to be effective, today's more stringent energy and environmental standards require more attention to be paid to fuel productivity and reducing emissions from power plants. This has led to the need for the development and construction of new combined cycle power plants.

На Фиг.5 изображена концептуальная схема применения принципа комбинирования циклов. В общем комбинированный цикл не ограничивается объединением верхнего цикла Брэйтона и нижнего цикла Ренкайна, но может быть любой комбинацией циклов. Верхним и нижним циклами могут быть одни и те же циклы, использующие различные жидкости. В любом случае применима схема, показанная на Фиг.5. Согласно схеме Фиг.5 жидкость верхнего цикла (501) поступает в двигатель верхнего цикла (502), куда добавляется топливо (503) для повышения ее температуры. Жидкость выполняет работу, которая двигателем верхнего цикла преобразуется в механическую энергию (мощность по валу в лошадиных силах). Эта энергия приводит в движение нагрузку верхнего цикла (504). Этой нагрузкой могут быть электрический генератор, насос, компрессор или иные устройства, которые требуют приложения механической энергии. Жидкость, покинувшая двигатель верхнего цикла, направляется через выхлопной трубопровод (505) в устройство для регенерации тепла (506), а затем поступает в открытый резервуар (507).Figure 5 shows a conceptual diagram of the application of the principle of combining cycles. In general, a combined cycle is not limited to combining the upper Braithon cycle and the lower Rankine cycle, but may be any combination of cycles. The upper and lower cycles can be the same cycles using different fluids. In any case, the circuit shown in FIG. 5 is applicable. According to the diagram of Figure 5, the upper cycle fluid (501) enters the upper cycle engine (502), where fuel (503) is added to increase its temperature. The fluid performs the work, which is converted by the engine of the upper cycle into mechanical energy (horsepower on the shaft). This energy drives the load of the upper cycle (504). This load can be an electric generator, pump, compressor or other devices that require the application of mechanical energy. The liquid that leaves the upper cycle engine is routed through the exhaust pipe (505) to a heat recovery device (506), and then enters an open tank (507).

В данном примере верхний цикл является открытым циклом. Другими словами, жидкость верхнего цикла поступает из большого резервуара и сбрасывается в тот же резервуар. Устройство для регенерации тепла (506) поглощает часть энергии выхлопов верхнего цикла и переносит ее к жидкости нижнего цикла (508). В рассматриваемом примере жидкость нижнего цикла нагревается при отдельных трех уровнях давления: на линии высокого давления (509), линии промежуточного давления (510) и линии низкого давления (511). Данные жидкости затем поступают в двигатель нижнего цикла (512), где производится механическая энергия для приведения в движение нагрузки нижнего цикла (513). И снова в роли данной нагрузки могут выступать электрический генератор, насос, компрессор и иные устройства, для работы которых требуется механическая энергия.In this example, the top loop is an open loop. In other words, the upper cycle fluid comes from a large reservoir and is discharged into the same reservoir. A heat recovery device (506) absorbs part of the energy of the exhausts of the upper cycle and transfers it to the liquid of the lower cycle (508). In this example, the lower cycle fluid is heated at three separate pressure levels: on the high pressure line (509), the intermediate pressure line (510), and the low pressure line (511). These fluids then enter the lower cycle engine (512), where mechanical energy is generated to drive the load of the lower cycle (513). And again, an electric generator, pump, compressor, and other devices that require mechanical energy to function can act as a given load.

Из двигателя нижнего цикла жидкость нижнего цикла поступает в теплообменник (514), в котором тепло сбрасывается. Жидкость нижнего цикла затем поступает в насос или компрессор или иное устройство для передачи жидкости (515), откуда она затем возвращается в устройство для регенерации тепла (506). Для данного примера принято за условие, что нижний цикл является закрытым циклом, что означает, что жидкость нижнего цикла постоянно циркулирует по замкнутой петле. В данном процессе можно использовать более двух циклов, и любой из циклов может быть как открытой, так и замкнутой петлей. Это характеризует основные черты применения комбинирования циклов.From the lower cycle engine, the lower cycle liquid enters the heat exchanger (514), in which heat is discharged. The lower cycle fluid then enters a pump or compressor or other fluid transfer device (515), from where it then returns to the heat recovery device (506). For this example, it is taken as the condition that the lower cycle is a closed cycle, which means that the liquid of the lower cycle is constantly circulating in a closed loop. In this process, you can use more than two cycles, and any of the cycles can be either open or closed loop. This characterizes the main features of the application of combining cycles.

ПГРТ в комбинированных циклахPGRT in combined cycles

В современном строительстве когенерационных и газо/паротурбинных электростанций понятие электростанции с комбинированием циклов стало означать использование цикла Брэйтона как верхнего цикла и цикла Ренкайна как нижнего цикла. Такие электростанции в качестве первичного движителя (механизм цикла Брэйтона) используют газовые турбины или турбины сгорания с котлом на выходе газовой турбины для регенерации выделяемого тепла. Этот котел обычно называют котлом с нагревом отходящим теплом или парогенератором регенерации тепла (ПГРТ). Он также может включать горелки для увеличения температуры выхлопов газов и образования большего количества пара, чем только от отходящего тепла (дополняющее сжигание топлива). ПГРТ вырабатывает пар, который затем поступает на паровую турбину для производства энергии. Благодаря высоким температурам рабочей жидкости в газовой турбине (приблизительно 2400°F для технологических устройств "F"-класса компании General Electric и 2600°F для стандарта "G"-класса технологических устройств Westinghouse) и регенерации отходящего тепла, электростанции с комбинированием циклов имеют более высокую производительность по топливу, чем традиционные паровые электростанции. Кроме того, с продвижением вперед технологии газовых турбин и использованием дистиллятных нефтепродуктов или природного газового топлива, выбросы электростанций с комбинированием циклов становятся не очень значительными. На Фиг.6 показана типичная схема применения комбинирования циклов.In the modern construction of cogeneration and gas / steam turbine power plants, the concept of a combined cycle power plant has come to mean using the Braithon cycle as the upper cycle and the Rankine cycle as the lower cycle. Such power plants use gas turbines or combustion turbines with a boiler at the outlet of a gas turbine as the primary propulsion mechanism (Braithon cycle mechanism) to regenerate the generated heat. This boiler is commonly referred to as a waste heat boiler or a heat recovery steam generator (PGRT). It may also include burners to increase the temperature of the exhaust gases and generate more steam than just the waste heat (in addition to burning fuel). PGRT produces steam, which is then fed to a steam turbine for energy production. Due to the high fluid temperatures in the gas turbine (approximately 2400 ° F for General Electric process “F” class devices and 2600 ° F for Westinghouse process “G” class devices) and waste heat recovery, combined cycle power plants have more higher fuel productivity than traditional steam power plants. In addition, with the advancement of gas turbine technology and the use of distillate oil products or natural gas fuels, combined cycle power plant emissions are not very significant. 6 shows a typical application of combining cycles.

ПГРТ значительно отличается от традиционного котла, работающего по циклу Ренкайна. Котел цикла Ренкайна работает на различных видах топлива, включая нефть, природный газ, уголь, биомассу и другие. В котлах цикла Ренкайна можно использовать также комбинацию различных видов топлива. ПГРТ в своей работе не может использовать никакой вид топлива, а может только захватывать и использовать отходящее тепло газовой турбины. Если применяется дополняющее сжигание топлива, для ПГРТ потребуются более очищенные виды топлива, например, природный газ или дистиллятные нефтепродукты. Твердые виды топлива, такие как уголь и биомасса, в этих видах котлов обычно не используются.PGRT is significantly different from a traditional boiler operating on the Rankine cycle. The Renkine cycle boiler runs on various fuels, including oil, natural gas, coal, biomass and others. In the boilers of the Renkine cycle, you can also use a combination of different types of fuel. PGRT in its work cannot use any type of fuel, but can only capture and use the waste heat of a gas turbine. If complementary fuel combustion is used, PGRT will require more refined fuels, such as natural gas or distillate oil products. Solid fuels, such as coal and biomass, are not commonly used in these types of boilers.

Как видно из Фиг.6, до ПГРТ существует несколько секций, включая три секции испарения (по одной на каждый уровень давления), экономайзеры, сверхперегреватели и повторные нагреватели. Секции (601) и (602) являются экономайзерами. Они представляют собой большие трубчатые отсеки в ПГРТ, которые предварительно нагревают воду перед ее преобразованием в пар в испарителе. Отсеки (603), (606) и (609) представляют собой испарители низкого, промежуточного и высокого давления, соответственно. Секции (604), (605) и (607) являются нагревателями питающей воды. Секция (608) является сверхперегревателем испарителя промежуточного давления, а секции (610) и (612) - сверхперегревателями испарителей высокого давления. Секция (611) является отсеком повторного нагревателя. Такие ПГРТ обычно обладают большими размером и массой и имеют буквально миллионы трубок внутри.As can be seen from Fig.6, before PGRT there are several sections, including three sections of evaporation (one for each pressure level), economizers, superheaters and reheaters. Sections (601) and (602) are economizers. They are large tubular compartments in the HRSG, which preheat the water before converting it to steam in the evaporator. Compartments (603), (606) and (609) are low, intermediate and high pressure evaporators, respectively. Sections (604), (605) and (607) are feed water heaters. Section (608) is the superheater of the intermediate pressure evaporator, and sections (610) and (612) are the superheaters of high pressure evaporators. Section (611) is a re-heater compartment. Such PGRTs are usually large and large and have literally millions of tubes inside.

Пар от каждого уровня давления используется на электростанции там, где это требуется, но в основном большая часть пара используется для производства дополнительной электроэнергии в паровой турбине. Это означает, что пар при нижних уровнях давления должен впускаться в паровую турбину в надлежащем месте, ином, чем впуск пара при высоком давлении. Это также означает, что паровая турбина должна обладать специальными приспособлениями (отверстиями, ответвлениями, соединениями, клапанами и т.д.), через которые пар может поступать, и что в рабочем режиме давление пара в паровой турбине в местах данных сочленений должно быть меньше, чем давление пара от соответствующих секций котла ПГРТ. В противном случае, пар не будет попадать в паровую турбину.Steam from each pressure level is used at the power plant where it is required, but mostly most of the steam is used to produce additional electricity in a steam turbine. This means that steam at lower pressure levels must be introduced into the steam turbine in an appropriate place other than the steam inlet at high pressure. This also means that the steam turbine must have special devices (openings, branches, connections, valves, etc.) through which the steam can flow, and that in the operating mode the steam pressure in the steam turbine at the joints must be less than the steam pressure from the corresponding sections of the boiler PGRT. Otherwise, steam will not enter the steam turbine.

Как видно из Фиг.6 при сравнении с Фиг.3, традиционный цикл Ренкайна подразумевает использование нагревателей питающей воды, забирающих пар из паровой турбины для предварительного нагрева питающей воды, в то время как ПГРТ для обеспечения данной функции использует тепло, выделяемое газовой турбиной. Следовательно, традиционные нагреватели питающей воды с паровым нагревом обычно не используются в системах с комбинированием циклов. В информационном документе компании “General Electric”, озаглавленном “Паровые турбины для систем электростанций с комбинированием циклов СТАГ” М. Босс (GE informative document GER-3582E (1996), entitled "Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems", М.) подтверждается, что нагреватели питающей воды не использовались в рамках имеющегося уровня техники:As can be seen from FIG. 6 when compared to FIG. 3, the traditional Rencine cycle involves the use of feed water heaters that draw steam from a steam turbine to pre-heat the feed water, while PGRT uses the heat generated by the gas turbine to provide this function. Therefore, conventional steam-powered feed water heaters are not commonly used in combined cycle systems. In the General Electric company information document entitled “Steam turbines for power plant systems with combined STAG cycles”, M. Boss (GE informative document GER-3582E (1996), entitled “Steam Turbines for STAG ™ Combined Cycle Power Systems”, M. ) it is confirmed that the feed water heaters were not used within the framework of the prior art:

“Определение размера выхлопов является важным для любой паровой турбины, но особенно важно для систем с использованием с комбинированием циклов. Там обычно отсутствует отбор пара из паровой турбины, поскольку нагрев питающей воды обычно обеспечивается внутри ПГРТ”.“Sizing is important for any steam turbine, but it is especially important for combined cycle systems. There is usually no extraction of steam from a steam turbine, since heating of the supply water is usually provided inside the HRSG. ”

Еще одним вариантом, обычно использующимся в системах с комбинированием циклов, является использование двух насосов котла (630) и (631), которые принято называть питающими насосами котла низкого и высокого давления соответственно (LP-BFP; HP-BFP). Такая расстановка позволяет насосу низкого давления обеспечивать подачу воды под давлением на уровни низкого и промежуточного давления, а насосу высокого давления подавать воду для уровня высокого давления, что обеспечивает экономию механической энергии насоса. Для мощных систем с комбинированием циклов расположение паровой турбины/конденсатора подобно их расположению в системах, работающих по циклу Ренкайна, показанному на Фиг.3 (хотя, с точки зрения внутренней схемы, маршруты подачи пара совершенно не сходны).Another option commonly used in combined cycle systems is to use two boiler pumps (630) and (631), which are commonly referred to as low and high pressure boiler feed pumps, respectively (LP-BFP; HP-BFP). This arrangement allows the low pressure pump to supply pressurized water to the low and intermediate pressure levels, and the high pressure pump to supply water for the high pressure level, which saves the mechanical energy of the pump. For high-power systems with a combination of cycles, the location of the steam turbine / condenser is similar to their location in systems operating according to the Rankine cycle shown in Figure 3 (although, from the point of view of the internal circuit, the steam supply routes are completely different).

Недостатки ПГРТ / комбинированного циклаPGRT / Combined Cycle Disadvantages

Общие недостаткиCommon disadvantages

В современных технологиях максимальное давление впускного отверстия паровой турбины с комбинированием циклов номинально составляет 1800 psia, а температура поступающего пара достигает 1050°F для входного и перегретого пара. Некоторыми недостатками такой организации ПГРТ систем с комбинированием циклов являются:In modern technology, the maximum inlet pressure of a steam turbine with a combination of cycles is nominally 1800 psia, and the temperature of the incoming steam reaches 1050 ° F for inlet and superheated steam. Some of the disadvantages of this organization PGRT systems with combined cycles are:

1. Производительность парового цикла значительно ниже, чем производительность традиционных паровых электростанций.1. The productivity of the steam cycle is significantly lower than the performance of traditional steam power plants.

2. Требуются многочисленные выпаривающие отсеки для доведения регенерации тепла до максимума. Это приводит к увеличению затрат на оборудование и техническое обслуживание.2. Numerous evaporation compartments are required to maximize heat recovery. This leads to an increase in equipment and maintenance costs.

3. Многочисленные испарители требуют привлечения операторов электростанции и организации систем контроля для наблюдения и контроля за уровнями цилиндров котла.3. Numerous evaporators require the involvement of power plant operators and the organization of control systems to monitor and control boiler cylinder levels.

4. ПГРТ с многочисленными отсеками обладают большим размером, требуют создания разветвленной инфраструктуры строений большой вместимости, много площадей и мощных фундаментов для поддержания массы генератора.4. PGRT with numerous compartments are large, they require the creation of a branched infrastructure of large-capacity buildings, many areas and powerful foundations to support the mass of the generator.

5. ПГРТ являются дорогостоящими (приблизительно 10 миллионов долларов США за один ПГРТ, достаточный для регенерации тепла одной газовой турбины модели GE Frame 7).5. HRSGs are expensive (approximately US $ 10 million for a HRSG sufficient to recover the heat of one GE Frame 7 gas turbine).

6. С увеличением количества компонентов, секций испарителя, контрольных и прочих устройств увеличиваются требования по техническому обслуживанию.6. With an increase in the number of components, evaporator sections, control and other devices, maintenance requirements increase.

7. Пар низкого давления (т.е. пар, иной, чем характеризующийся самым высоким давлением) обладает существенно меньшей способностью производить энергию в паровой турбине, чем пар более высокого давления.7. Low pressure steam (ie steam other than the one characterized by the highest pressure) has a significantly lower ability to produce energy in a steam turbine than higher pressure steam.

8. Частичная нагрузка, операции, не предусмотренные проектом, и иные условия наряду с предусмотренными в проекте, обычно приводят к меньшей регенерации тепла и более низкой производительности цикла.8. Partial load, operations not stipulated by the project, and other conditions, along with those provided in the project, usually lead to less heat recovery and lower cycle productivity.

9. Увеличение количества трубок ПГРТ с целью увеличения регенерации тепла приводит к дополнительным ограничениям для движения потока выхлопов газовой турбины, что создает увеличенное противодавление, уменьшающее производительность и эффективность газовой турбины.9. An increase in the number of PGRT tubes in order to increase heat recovery leads to additional restrictions on the movement of the exhaust stream of the gas turbine, which creates an increased back pressure that reduces the productivity and efficiency of the gas turbine.

10. Уровни температуры выхлопов газовой турбины недостаточны для обеспечения повышения некоторых параметров рабочих режимов пара, используемых в настоящее время в усовершенствованных паровых циклах (600°C градусов Цельсия, что эквивалентно 1112°F).10. The temperature levels of the exhaust gas turbine are insufficient to provide an increase in some parameters of the operating modes of steam, currently used in advanced steam cycles (600 ° C degrees Celsius, which is equivalent to 1112 ° F).

11. Существующие проблемы в линиях для повторного нагрева при наличии нескольких газовых турбин (обычно трех или более) затрудняют использование больших паровых турбин в электростанциях с комбинированием циклов при нынешнем уровне техники. Для современных, мощных и эффективных электростанций с комбинированием циклов, как, например, GE S207FA, мощность паровой турбины обычно достигает 190 МВт, что гораздо ниже мощности паровых турбин General Electric, которая может превышать 1200 МВт. Для получения более детальной информации о больших паровых турбинах необходимо обратиться к информационной брошюре, выпущенной компанией “General Electric” (GE) под названием “Паровые турбины для больших электростанций” авторов Джона К. Рейнкера и Пола В. Мейсона ("Steam Turbines for Large Power Applications" by John K. Reinker and Paul B. Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)).11. The existing problems in reheat lines with several gas turbines (usually three or more) make it difficult to use large steam turbines in power plants with combined cycles in the current state of the art. For modern, powerful and efficient combined cycle power plants such as the GE S207FA, steam turbine power typically reaches 190 MW, which is much lower than General Electric steam turbine power, which can exceed 1200 MW. For more information on large steam turbines, please refer to the information brochure issued by General Electric (GE) entitled “Steam Turbines for Large Power Plants” by John K. Reinker and Paul W. Mason (“Steam Turbines for Large Power Applications "by John K. Reinker and Paul B. Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)).

Неэффективность работы с неполной нагрузкойPart-load inefficiency

Еще одним недостатком систем с комбинированием циклов является их работа при частичной нагрузке. Когда система, к которой присоединена электростанция, сокращает требования к нагрузке, электростанция должна отреагировать путем уменьшения выработки. Такое модулирование нагрузки предусматривает сохранение постоянной скорости работы оборудования и постоянной промышленной частоты напряжения (т.е. 60 Гц в США и 50 Гц в Европе). Для модулирования нагрузки в условиях электростанции с комбинированием циклов в газовой турбине сжигается меньше топлива, и сокращается выработка энергии. Для этого обычно требуется уменьшение температуры горения в газовой турбине и/или уменьшение количества поступающего туда воздуха.Another drawback of systems with combined cycles is their operation under partial load. When the system to which the power plant is connected reduces load requirements, the power plant must respond by reducing production. Such load modulation provides for maintaining a constant speed of the equipment and a constant industrial voltage frequency (i.e. 60 Hz in the USA and 50 Hz in Europe). To modulate the load in a power plant with combined cycles in a gas turbine, less fuel is burned and energy production is reduced. This usually requires a decrease in the combustion temperature in the gas turbine and / or a decrease in the amount of air entering there.

Работа в условиях частичной нагрузки уменьшает эффективность газовой турбины, таким образом снижая эффективность всей электростанции с комбинированием циклов. На Фиг.7 показана типичная кривая для большой современной газовой турбины с впускными направляющими лопастями для модулирования интенсивности поступления во впускное отверстие воздуха. Даже при увеличенной производительности в условиях частичной нагрузки, обеспеченной впускными направляющими лопастями при нагрузке 60% (Выработка Генератора - в процентном отношении к предусмотренному в рамках проекта), газовая турбина потребляет более 70% топлива, требуемого для работы при полной нагрузке (Потребление Тепла - в процентном отношении к предусмотренному в рамках проекта). Это представляет собой увеличение на 17,5% количества тепла (конкретное потребление тепла). Для газовых турбин без впускных направляющих лопастей такой спад в производительности будет более значительным.Partial load operation reduces the efficiency of the gas turbine, thereby reducing the efficiency of the entire power plant with combined cycles. 7 shows a typical curve for a large modern gas turbine with inlet guide vanes for modulating the intensity of air intake into the inlet. Even with increased productivity under partial load conditions provided by inlet guide vanes at a load of 60% (Generator output - as a percentage of the projected amount), a gas turbine consumes more than 70% of the fuel required to operate at full load (Heat Consumption - percentage of the projected). This represents an increase of 17.5% in the amount of heat (specific heat consumption). For gas turbines without inlet guide vanes, this decrease in productivity will be more significant.

Чтобы попытаться избежать такого рода уменьшения нагрузки, а также обеспечить большую выработку энергии для данного количества аппаратных средств (что иногда называют плотностью мощности), производители могут установить две газовых турбины на электростанции с комбинированием циклов, каждая из которых имеет свой ПГРТ, подсоединенный к одной паровой турбине (так называемая “конструкция 2-в-1”). При такой конструкции (2 газовых турбины и 1 паровая турбина), когда нагрузка электростанции снижается более чем на 50%, одна газовая турбина может быть отключена, а другая может вернуться к выработке около 100%. Такой режим работы увеличивает производительность частичной нагрузки ниже 50% всей нагрузки электростанции, как это показано графически на Фиг.8. На графике показано типовое сравнение двух газовых турбин, взятое из информационной брошюры компании "General Electric" "Производственная линия и производительность с комбинированием циклов "General Electric" авторов Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба В. Смита и Криса Е. Маслака (1996 г.) (GE informative document GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) по кривым характеристики частичной нагрузки в условиях комбинирования циклов и конструкции 2-в-1. Для конструкции 3-в-1 может происходить переключение с трех до двух газовых турбин при нагрузке чуть менее 67%. Тем не менее, это все равно обеспечивает значительное увеличение количества тепла в условиях частичной нагрузки. Необходимо отметить, что такое увеличение по эффективности частичной нагрузки является результатом более высоких затрат на оборудование. В рамках существующего уровня техники необходимо решить проблему эффективности без необходимости приобретать дополнительное оборудование, увеличивая тем самым совокупные затраты на электростанцию.To try to avoid this kind of load reduction, as well as provide greater energy production for a given amount of hardware (sometimes called power density), manufacturers can install two gas turbines in power plants with combined cycles, each of which has its own HRS connected to one steam turbine (so-called “2-in-1 design”). With this design (2 gas turbines and 1 steam turbine), when the power plant load is reduced by more than 50%, one gas turbine can be turned off, and the other can return to production of about 100%. This mode of operation increases the capacity of the partial load below 50% of the total load of the power plant, as shown graphically in Fig. 8. The graph shows a typical comparison of two gas turbines, taken from the General Electric information brochure. Production line and performance with a combination of General Electric cycles by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith and Chris E. Maslak (1996) (GE informative document GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W Smith, and Chris E. Maslak) on the partial load curve for a combination of cycles and a 2-in-1 design. switching from three to two gas turbines with a load of slightly less than 67%. Nevertheless, this still provides a significant increase in the amount of heat under partial load conditions. It should be noted that such an increase in partial load efficiency is the result of higher equipment costs. In the framework of the existing level of technology it is necessary to solve the problem of efficiency without the need to purchase additional equipment, thereby increasing the total cost of the power plant.

Дополнительное сжигание топлива ПГРТAdditional combustion of PGRT fuel

Еще одним решением для повышения гибкости работы электростанции с комбинированием циклов является использование дополнительного сжигания топлива в ПГРТ. Такой режим работы газовой турбины достигается тогда, когда топливо сжигается в парогенераторе регенерации тепла (ПГРТ) сразу после газовой турбины (или на каком-то промежуточном этапе внутри ПГРТ). Это приводит к увеличению температуры отработавших газов, поступающих в ПГРТ, и количества пара, который может поступать в паровую турбину. Это позволяет электростанции производить больше энергии. Однако количество потребляемого тепла растет и эффективность топлива, соответственно, сокращается. Такой результат описан Муром (Moore), “General Electric”, в патенте США 5649416. Этот патент, а также патент США 5428950 Томлинсона (Tomlinson) упомянут Райсом (Rice) в патенте США 5628183. Поэтому дополняющее сжигание топлива в ПГРТ считается производителями средством для повышения выработки энергии, но за счет понижения производительности. В информационной брошюре “General Electric” (1996 г.) “Производственная линия "General Electric" и производительность с комбинированием циклов” авторов Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба В. Смита и Криса Е. Маслака (GE informative document GER-3574F (1996) entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) говорится, что “нарастающая производительность для энергии, выработанной за счет дополнительного горения, на 34-36% базируется на более низкой теплотворной способности топлива (LHV)”.Another solution to increase the flexibility of the power plant with combined cycles is the use of additional fuel combustion in PGRT. This mode of operation of a gas turbine is achieved when the fuel is burned in a heat recovery steam generator (PGRT) immediately after the gas turbine (or at some intermediate stage inside the PGRT). This leads to an increase in the temperature of the exhaust gases entering the HRSG and the amount of steam that can enter the steam turbine. This allows the power plant to produce more energy. However, the amount of heat consumed is growing and fuel efficiency is correspondingly decreasing. Such a result is described by Moore, “General Electric,” in US Pat. No. 5,649,416. This patent, as well as US Pat. No. 5,428,950 to Tomlinson, are mentioned by Rice in US Pat. increase energy production, but at the expense of lower productivity. In the General Electric information brochure (1996), General Electric Production Line and Combined Cycle Productivity by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith and Chris E. Maslak (GE informative document GER-3574F (1996) entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) states that “the increasing productivity for energy generated by additional combustion is 34-36% based on the lower calorific value of the fuel (LHV)”.

В той же самой брошюре в табл.14 указано, что дополнительное сжигание топлива в ПГРТ может увеличивать количество вырабатываемого продукта в условиях электростанции с комбинированием циклов при существующем уровне техники на 28%, но только с увеличением на 9% совокупного количества тепла в комбинированном цикле (конкретное потребление топлива). В существующем уровне техники не было разработано никаких технологических подходов для того, чтобы избежать потерь по теплу, связанных с дополнительным горением.The same brochure in Table 14 indicates that additional fuel combustion in PGRT can increase the amount of product produced in a power plant with combined cycles at the current level of technology by 28%, but only with an increase of 9% in the total amount of heat in the combined cycle ( specific fuel consumption). In the current level of technology, no technological approaches have been developed in order to avoid heat losses associated with additional combustion.

Кроме того, дополнительное сжигание топлива в рамках предшествующего уровня техники может использоваться для достижения более высоких коэффициентов соотношения паровых и газовых турбин, чем при традиционных комбинированных циклах. Однако работа на таких высоких уровнях мощности паровых/газовых турбин в целях удовлетворения наиболее высоких потребностей в электроэнергии обычно имеет короткую продолжительность, а долгосрочная работа с такими коэффициентами не экономична. Поэтому традиционные электростанции с комбинированием циклов, которые были спроектированы с использованием коэффициентов отношения паровых/газовых турбин, близких к одинаковым, не работают, как электростанции только цикла Ренкайна, а работают в таком режиме для обеспечения временного пика нагрузки, чему всегда сопутствует значительный ущерб, наносимый производительности работы.In addition, additional fuel combustion in the framework of the prior art can be used to achieve higher ratios of the ratio of steam and gas turbines than with traditional combined cycles. However, operating at such high power levels of steam / gas turbines in order to satisfy the highest energy needs usually has a short duration, and long-term operation with such coefficients is not economical. Therefore, traditional power plants with combined cycles that were designed using steam / gas turbine ratio close to the same do not work like power plants of the Rankine cycle only, but operate in this mode to provide a temporary peak load, which always results in significant damage work performance.

Спад производительности газовых турбинDecline in gas turbine performance

Как указано в разделе обсуждения цикла Брайтона, приблизительно 2/3 энергии, выработанной турбинным отделом газовой турбины, необходимы для приведения в действие компрессорного отсека, а оставшейся 1/3 энергии достаточно для операций приведения в действие нагрузки. Такая энергия, потребляемая компрессором при 67% мощности турбины, значительно выше, чем в примере с циклом Ренкайна, где насосы котла потребляют только 2% мощности турбины. Поэтому газовая турбина подвержена спаду в работе, если компрессор не поддерживает оптимальный уровень производительности.As indicated in the discussion section of the Brighton cycle, approximately 2/3 of the energy generated by the turbine section of the gas turbine is needed to drive the compressor compartment, and the remaining 1/3 of the energy is enough for load driving operations. Such energy consumed by the compressor at 67% of the turbine power is significantly higher than in the example with the Rankine cycle, where the boiler pumps consume only 2% of the turbine power. Therefore, a gas turbine is prone to decline in operation if the compressor does not maintain an optimal level of performance.

Для примера, обычная производительность компрессора с осевой подачей воздуха, используемого на большой газовой турбине, может составлять 90%. Поэтому, если компрессор требует 67% выходной мощности турбинного отсека, идеальным уровнем мощности (100% производительности) будет только (0,67×0,90)=0,603 или 60,3%. Если производительность компрессора падает на 2,5%, его новая производительность будет достигать (0,90×0,975)=0,8775 или 87,75%. Требуемая мощность компрессора в этом случае была бы (0,603:0,8775)=0,6872 или 68,72%. Чистый выход энергии турбины уменьшается с 33% (1,00-0,67) до 0,3128% (1,00-0,6872). Это составляет ущерб в размере 5,2% по производительности (0,3128:0,33=0,9479). Поэтому совершенно очевидно, что небольшое уменьшение производительности компрессора газовой турбины ведет к большому спаду производительности и мощности газовой турбины.For example, the typical capacity of an axial-flow compressor used on a large gas turbine can be 90%. Therefore, if the compressor requires 67% of the output power of the turbine compartment, only (0.67 × 0.90) = 0.603 or 60.3% would be the ideal power level (100% capacity). If the compressor capacity drops by 2.5%, its new capacity will reach (0.90 × 0.975) = 0.8775 or 87.75%. The required compressor power in this case would be (0.603: 0.8775) = 0.6872 or 68.72%. The net energy output of the turbine decreases from 33% (1.00-0.67) to 0.3128% (1.00-0.6872). This amounts to a loss of 5.2% in productivity (0.3128: 0.33 = 0.9479). Therefore, it is obvious that a slight decrease in the performance of a gas turbine compressor leads to a large decrease in the productivity and power of a gas turbine.

Потеря производительности на 5% в сравнении с примером, приведенным выше, типична для многих газовых турбин после периода работы от одного до двух лет. Такой спад производительности в основном обусловлен изношенностью компрессора и эрозией наконечников лопастей компрессора. Новые лопасти и пломбы обычно помогают восстановить производительность компрессора до уровня производительности нового компрессора. Однако такие починки являются дорогостоящими, занимают много времени и могут осуществляться после основных осмотров, которые планируются каждые четыре года для современных газовых турбин. Поэтому владельцы электростанций и операторы должны учитывать спад производительности между основными капитальными осмотрами газовых турбин.A 5% loss in productivity compared to the example above is typical of many gas turbines after a period of one to two years. Such a drop in productivity is mainly due to the deterioration of the compressor and erosion of the tips of the compressor blades. New blades and seals usually help restore compressor performance to the performance level of a new compressor. However, such repairs are expensive, time consuming and can be carried out after major inspections, which are planned every four years for modern gas turbines. Therefore, owners of power plants and operators should take into account the decline in productivity between the main overhauls of gas turbines.

Возможности для усовершенствования в существующем уровне техникиOpportunities for Improvement in the Prior Art

Из сказанного выше видно, что параметры современных определенных технологий, которые могут быть усовершенствованы, являются следующими:It can be seen from the above that the parameters of certain modern technologies that can be improved are as follows:

ГибкостьFlexibility

Исходя из потребностей нагрузки при производстве электроэнергии в определенном регионе или на определенном рынке, электростанция общего пользования (распределяющая электроэнергию среди пользователей) определяет спрос на электроэнергию с учетом текущих и ожидаемых потребностей. Например, если ожидаемая нагрузка составляет 850 МВт, в традиционной конфигурации по циклу Ренкайна коммунальная служба/компания-производитель электроэнергии заключает контракт с архитектурно-инженерной фирмой для разработки и строительства такой электростанции.Based on the needs of the load in the production of electricity in a particular region or market, a public power plant (distributing electricity among users) determines the demand for electricity taking into account current and expected needs. For example, if the expected load is 850 MW, in the traditional configuration according to the Rankine cycle, the utility / electricity company will contract with an architectural and engineering firm to develop and build such a power plant.

Котел, насосы, конденсатор, паровая турбина и все остальные вспомогательные устройства электростанции проектируются под заданную мощность 850 МВт. Преимущественно необходимый результат может быть достигнут благодаря тому, что паровые турбины проектируются и производятся в соответствии с нуждами конкретного заказчика. Однако, в связи с тем, что газовые турбины производятся конвейерным способом, а комбинированный цикл внедряется на электростанциях, использующих газовые турбины, для достижения наибольшей производительности и наименьших капитальных затрат, коммунальная служба и/или поставщик электроэнергии не могут только заявлять о требуемом уровне выработки электростанции, но также должны найти наилучший вариант удовлетворения своих потребностей, исходя из имеющихся предложений комбинирования циклов различных производителей. Например, анализ имеющихся электростанций с комбинированием циклов из БРОШЮРЫ О ТУРБОМАШИНАХ 1997 г. (TURBOMACHINERY HANDBOOK (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) указывает, что для применения частоты в 60 Гц на рынке отсутствуют какие-либо электростанции с комбинированием циклов мощностью 850 МВт. Таким образом, гибкость разработчика проекта электростанции ограничивается возможностями современной техники для электростанций, работающих по комбинированному циклу. Это предполагает, что в некоторых обстоятельствах комплект оборудования для установки на определенной электростанции не будет оптимальным из-за ограничений, налагаемых на конфигурации оборудования для электростанций уровнем современной техники.The boiler, pumps, condenser, steam turbine and all other auxiliary devices of the power plant are designed for a given power of 850 MW. Mostly the desired result can be achieved due to the fact that steam turbines are designed and manufactured in accordance with the needs of a particular customer. However, due to the fact that gas turbines are produced by the conveyor method, and the combined cycle is introduced at power plants using gas turbines to achieve the highest productivity and lowest capital costs, the public service and / or the electricity supplier cannot only declare the required level of power generation , but also must find the best option to meet their needs, based on existing proposals for combining cycles of different manufacturers. For example, an analysis of available power plants with combined cycles from the 1997 TURBOMACHINERY HANDBOOK BROCHURE (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) indicates that no power plants with combined power cycles are available on the market for 60 Hz 850 MW. Thus, the flexibility of a power plant project developer is limited by the capabilities of modern technology for combined cycle power plants. This suggests that in some circumstances a set of equipment for installation at a particular power plant will not be optimal due to the limitations imposed on the level of modern technology on the configuration of equipment for power plants.

ПроизводительностьPerformance

Электростанции с комбинированием циклов характеризуются очень высокой выработкой электроэнергии в сравнении с иными традиционными средствами производства электроэнергии. Однако большая центральная электростанция с комбинированием циклов с расчетной мощностью 1000 МВт при 55% тепловой производительности LHV (коэффициент низшей теплоотдачи), работающая 8500 часов в год при полной нагрузке на топливе стоимостью 3 доллара США за миллион ВТЕ (BTU) топлива, затрачивает около 175 миллионов долларов США ежегодно на приобретение топлива. Увеличение производительности даже на 1 процент будет приводить к большой экономии на топливе (1,75 миллионов долларов США ежегодно).Combined-cycle power plants are characterized by very high power generation in comparison with other traditional means of generating electricity. However, a large central power plant with combined cycles with an estimated capacity of 1000 MW at 55% of the LHV thermal efficiency (lower heat transfer coefficient), operating 8500 hours a year at full fuel load of $ 3 per million BTU of fuel, spends about 175 million US dollars annually for the purchase of fuel. Increasing productivity by even 1 percent will result in large fuel savings ($ 1.75 million annually).

В патенте США 4333310, выданном Роберту Юраму (Robert Uram), используется метод управления, позволяющий наблюдать за температурой пара в паровой турбине и регулировать работу камеры сжигания отходов (дожигание), обеспечивая управление температурой перегретого пара. С одной стороны, температура впускного отверстия паровой турбины поддерживается на оптимальном уровне, а с другой стороны, такая функция существенно не влияет на нагрузку. В этом патенте Юрам заявляет:US Pat. No. 4,333,310 to Robert Uram uses a control method that monitors the temperature of a steam in a steam turbine and controls the operation of the waste incineration chamber (afterburning) to control the temperature of superheated steam. On the one hand, the temperature of the inlet of the steam turbine is maintained at an optimal level, and on the other hand, this function does not significantly affect the load. In this patent, Yuram claims:

“Желательно, чтобы паровая турбина работала в режиме так называемого “следования за турбиной”, в котором электростанция подает электроэнергию для нагрузки таким образом, чтобы паровая турбина следовала за газовыми турбинами, и дожигание позитивно следует за соответствующей газовой турбиной. Другими словами, тепло, получаемое в результате дожигания, следует за температурой выхлопных газов газовой турбины, а пар, получаемый от газов, производимых в результате дожигания, используется совокупно паровой турбиной”.“It is desirable that the steam turbine operates in a so-called“ follow turbine ”mode, in which the power plant supplies electricity for the load so that the steam turbine follows the gas turbines and the afterburning positively follows the corresponding gas turbine. In other words, the heat generated by the afterburning follows the temperature of the exhaust gases of the gas turbine, and the steam obtained from the gases produced by the afterburning is used together by the steam turbine. ”

Данные уроки существующего уровня техники являются прямым контрастом с настоящим изобретением, в котором вклад тепла от дополнительного сжигания топлива независим от газовых турбин, а газовые турбины проектируются для работы на уровне своей полной оптимальной мощности.These lessons of the prior art are in direct contrast with the present invention, in which the heat contribution from additional fuel combustion is independent of gas turbines, and gas turbines are designed to operate at their full optimum power level.

Установленная стоимостьSet value

Следующие после стоимости топлива крупные затраты для электростанций с комбинированием циклов обычно связаны с обслуживанием долга. Производители, инженерные фирмы и владельцы обычно заинтересованы в том, чтобы сократить затраты на установку электростанций. При 8% начисляемых процентов и 450 долларов США на киловатт электростанции с комбинированием циклов мощностью 1000 МВт обслуживание долга составит приблизительно 45 миллионов долларов в год в течение 20 лет. Сокращение издержек производства при полном использовании производственных возможностей, с точки зрения соотношения стоимость/произведенная энергия, непосредственно сокращает затраты на обслуживание долга.The next major cost after fuel costs for combined cycle power plants is usually debt servicing. Manufacturers, engineering firms and owners are usually interested in reducing the cost of installing power plants. With 8% accrued interest and $ 450 per kilowatt of power plant with combined cycles of 1000 MW, debt servicing will be approximately $ 45 million per year for 20 years. Reducing production costs while fully utilizing production capabilities, in terms of cost / energy ratio, directly reduces debt service costs.

Временное увеличение выработки на пике нагрузкиTemporary increase in peak output

Дилемма, с которой встречаются владельцы электростанций и коммунальные службы, - это правильный выбор мощности электростанции. Выбор электростанции, которая слишком мала, приводит к нехватке электроэнергии, частичному нарушению электроснабжения и/или к необходимости приобретать дорогостоящую электроэнергию у других производителей. Выбор электростанции, которая слишком велика, приводит к работе при низкой производительности во время периода неполной нагрузки и увеличению капитальных затрат на кВт·ч произведенной электроэнергии. Во многих ситуациях проблемой разработчиков электростанций является необходимость обеспечить как возможность удовлетворения потребностей на пике потребления электроэнергии, так и потребления при временных нагрузках. Пик потребления случается только в определенное время года на ограниченный промежуток времени. Обычно часы пикового потребления в самые жаркие дни в летние месяцы по нагрузке являются самым критическим временем для производителей электроэнергии и их систем. Возможность обеспечения избыточной мощности в этот период является крайне желательной, а при намечающихся тенденциях приватизации рынка электроэнергии это может оказаться также очень полезным и привлекательным.The dilemma faced by power plant owners and utilities is the right choice of power plant capacity. Choosing a power plant that is too small leads to a shortage of electricity, a partial disruption of power supply and / or to the need to purchase expensive electricity from other manufacturers. Choosing a power plant that is too large will result in low productivity during part-time periods and an increase in capital costs per kWh of electricity generated. In many situations, the challenge for power plant designers is the need to provide both the ability to meet demand at the peak of power consumption and consumption under temporary loads. Peak consumption occurs only at certain times of the year for a limited period of time. Typically, peak hours on the hottest days of the summer months in terms of load are the most critical time for power producers and their systems. The ability to provide excess capacity during this period is highly desirable, and with emerging trends in the privatization of the electricity market, this can also be very useful and attractive.

Например, в начале лета 1999 года недостаток электроэнергии на северо-востоке США вызвал обеспокоенность возможностью системы удовлетворять наибольший спрос на электроэнергию. Некоторые местные программы новостей сообщали о стоимости в 30 долларов США за мВт·ч в обычные периоды и до 500-1000 долларов США за мВт·ч в пик сезона. Однако как сообщалось в “POWER MAGAZINE” (ISSN 0032-5929, March/April 1999, page 14) были понесены еще большие затраты: “Резервные запасы сократились по всей стране с 27% в 1992 году до 12% в 1998 г. на основании информации Института электричества Эдисона в Вашингтоне, округ Колумбия, так как нестабильность в связи с приватизацией вызвала приостановку в увеличении мощностей. Существенное увеличение цен на Среднем Западе США до 7000 долларов США за мВт·ч прошлым летом было в центре внимания прессы, но рост цен до 6000 долларов США мВт·ч также имел место в Альберте...”.For example, in the early summer of 1999, a lack of electricity in the northeastern United States raised concerns about the system's ability to meet the largest electricity demand. Some local news programs reported a cost of $ 30 per MWh during normal periods and up to $ 500-1,000 per MWh at peak season. However, as reported in POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929, March / April 1999, page 14), even greater costs were incurred: “Reserve stocks declined across the country from 27% in 1992 to 12% in 1998 based on Edison Institute of Electricity’s information in Washington, DC, as volatility due to privatization has caused a suspension in capacity expansion. A significant increase in prices in the Midwestern United States to $ 7,000 per MWh last summer was the focus of the press, but price increases to $ 6,000 MWh also took place in Alberta ... ”

Однако обеспечение производства электроэнергии в пик сезона не будет привлекательным, если владельцы электростанций вынуждены будут платить за такую мощность, а также за обслуживание долга, а еще обеспечивать получение дохода на эту дополнительную мощность только в течение нескольких месяцев в году. Поэтому требуются электростанции, которые могут обеспечивать выработку большего количества электроэнергии в сравнении с обычной в пик сезона для оказания помощи в обеспечении нагрузки системы на пике потребности в электроэнергии.However, ensuring the production of electricity at the peak of the season will not be attractive if the owners of the power plants are forced to pay for such capacity, as well as for servicing the debt, and also provide income for this additional capacity only for several months a year. Therefore, power plants are required that can generate more electricity than normal during peak season to help ensure that the system is at peak load.

На Фиг.31В показан график, включающий относительное количество времени, которое типичная электростанция работает в пиковом сезоне, в период промежуточной загруженности и при основных условиях нагрузки. Из этого графика видно, что не будет прибыльным проект электростанции для работы при пиковой загруженности, так как на такой период приходится менее 10% всего времени. В связи с тем, что типичные электростанции существующего уровня техники не способны на различные варианты работы при пиковой мощности, единственным практически применимым вариантом для современных производителей электроэнергии является приобретение энергии сверх плана в сезон наибольшего спроса на нее. Настоящее изобретение представляет систему и способ, позволяющие удовлетворять указанные потребности без закупки дополнительной электроэнергии со стороны, и являющиеся, таким образом, экономически более выгодными по сравнению с известными из уровня техники.FIG. 31B is a graph showing the relative amount of time that a typical power plant operates during the peak season, during the intermediate load period, and under basic load conditions. It can be seen from this graph that a power plant project for operation at peak congestion will not be profitable, since such a period accounts for less than 10% of the total time. Due to the fact that typical power plants of the current level of technology are not capable of various options for operating at peak power, the only practically applicable option for modern electricity producers is to purchase energy in excess of the plan in the season of the highest demand for it. The present invention provides a system and method that can satisfy these needs without purchasing additional electricity from the outside, and which are thus more economical in comparison with those known in the art.

Оборотный резервCurrent reserve

Вопрос увеличения производства электроэнергии в пик сезона затрагивает концепцию оборотного резерва. Оборотный резерв обеспечивает потребность местных государственных коммунальных служб в регуляции преодоления сбоев производства электроэнергии в кризисных условиях за счет использования запасных генераторов быстрого вращения, работающих в автоматическом неавтономном режиме, но в то же время не вырабатывающих энергии. При таком построении, если производитель электроэнергии несет потери производительной мощности, в действие автоматически вводится режим нагруженного резерва, компенсирующий потери и, таким образом, предотвращающий коллапс энергосистемы. С приватизацией предприятий, становящейся все более обычным делом в индустрии по производству электроэнергии в США, вопрос о том, кто обеспечивает оборотный резерв, является принципиальным. В эпоху жесткого регулирования и монополий в энергетической промышленности требовался монополист, представляющий коммунальную службу, для обеспечения автоматического неавтономного режима оборотного резерва. В эпоху приватизации вопрос оплаты такой побочной мощности является очень важным.The issue of increasing electricity production at peak season affects the concept of a working reserve. Working capital reserve meets the need of local public utilities to regulate overcoming power generation failures in crisis conditions through the use of spare fast-rotation generators operating in an automatic non-autonomous mode, but at the same time not generating energy. With this construction, if the electricity producer suffers losses of production capacity, the loaded reserve mode is automatically put into effect, compensating for the losses and, thus, preventing the collapse of the power system. With the privatization of enterprises, which is becoming more commonplace in the US electricity generation industry, the question of who provides the working capital reserve is crucial. In the era of tight regulation and monopolies in the energy industry, a monopolist representing the public service was required to ensure an automatic non-autonomous regime of the working reserve. In the era of privatization, the issue of paying for such collateral capacity is very important.

Настоящее изобретение решает эту проблему, обеспечивая значительное увеличение мощности электростанции коммунальной службой незамедлительно в случае сбоя или выхода из строя оборудования. Например, согласно настоящему изобретению, можно обеспечить работу девяти электростанций с производительностью на уровне пиковой нагрузки до 111% и компенсировать выход из строя одной станции по выработке энергии. В ряде случаев это позволило бы спланировать энергосистему без оборотного резерва или со значительно сокращенным резервом вращения, что привело бы к уменьшению совокупного размера затрат на производство электроэнергии в целом.The present invention solves this problem by providing a significant increase in the capacity of a power plant by the public utility immediately in the event of equipment malfunction or failure. For example, according to the present invention, it is possible to ensure the operation of nine power plants with a capacity at peak load of up to 111% and compensate for the failure of one power generation station. In a number of cases, this would allow planning the energy system without a working reserve or with a significantly reduced rotation reserve, which would lead to a decrease in the total cost of electricity production as a whole.

Нелокальное производство электроэнергии / вопросы надежности распределенияNon-local power generation / distribution reliability issues

Одной из серьезных проблем существующего уровня техники является то, что производительность электростанции в основном существует в относительно неизменном и узком диапазоне управления производством электроэнергии. Когда на план энергосистемы накладываются пиковые потребности в электроэнергии, приходится ее приобретать в иных местах, где потребности в электроэнергии по сравнению с мощностью удаленной электростанции ниже. При таком режиме обеспечения пиковых потребностей в электроэнергии, то есть путем перенаправления мощности удаленных электростанций, существует несколько основных проблем.One of the serious problems of the current level of technology is that the capacity of a power plant mainly exists in a relatively constant and narrow range of power generation control. When the peak demand for electricity is superimposed on the grid plan, it is necessary to purchase it in other places where the demand for electricity is lower than the capacity of a remote power plant. With this mode of providing peak electricity needs, that is, by redirecting the power of remote power plants, there are several main problems.

Во-первых, убытки, связанные с передачей электроэнергии из удаленных мест к месту требования электроэнергии. Например, одним жарким днем в городе Нью-Йорке может потребоваться передача электроэнергии из Канады или западных штатов США, что может привести к значительным линейным потерям в линиях электропередачи.Firstly, losses associated with the transfer of electricity from remote locations to the place of electricity demand. For example, one hot day in New York City may require the transfer of electricity from Canada or the western US states, which can lead to significant linear losses in power lines.

Во-вторых, существует неуверенность в надежности приобретения электроэнергии в отдаленных районах энергосистемы в период наибольшей загруженности. Несмотря на то, что в принципе перераспределение электроэнергии является возможным, оно приводит к нестабильности в энергосистеме. Могут произойти небольшие неполадки во всей энергосистеме, что приведет к дополнительному отказу в работе оборудования или вызовет нестабильность напряжения в сети. Подобные события, кажущиеся незначительными в удаленных регионах страны, могут через электросети повлечь за собой серьезные аварии в больших регионах столичного уровня.Secondly, there is uncertainty about the reliability of the acquisition of electricity in remote areas of the energy system during the period of the highest congestion. Despite the fact that, in principle, redistribution of electricity is possible, it leads to instability in the power system. Small malfunctions can occur in the entire power system, which will lead to an additional failure of the equipment or cause instability of the voltage in the network. Such events, which seem insignificant in remote regions of the country, can lead to serious accidents in large regions of the capital level through electric networks.

Таким образом, с учетом изложенных выше причин, в общем всегда считается лучшей возможность вырабатывать электроэнергию на месте и по потребности. Существующий уровень техники базируется на идеях разделения и распределения электроэнергии, в то время как настоящее изобретение - на идее разработки более надежного способа локального производства электроэнергии в системе производства электроэнергии, являющейся более эффективной и надежной, чем известные из уровня техники. Необходимо подчеркнуть, что ограничения, присущие существующему уровню техники с точки зрения производительности электростанции на пике нагрузки, в основном препятствуют локальному производству энергии, требуемой в пик сезона. Это вынуждает традиционные электростанции нести значительные затраты (от 10-кратных до 250-кратных) при приобретении электроэнергии удаленных станций.Thus, taking into account the above reasons, in general it is always considered the best opportunity to generate electricity on the spot and on demand. The current level of technology is based on the ideas of separation and distribution of electricity, while the present invention is based on the idea of developing a more reliable method for local production of electricity in an electricity production system, which is more efficient and reliable than known from the prior art. It must be emphasized that the limitations inherent in the current level of technology in terms of peak power plant performance generally impede the local production of energy required during peak seasons. This forces traditional power plants to incur significant costs (from 10-fold to 250-fold) when purchasing electricity from remote stations.

Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживаниеOperating and Maintenance Costs

Затраты на оплату труда, топливо, техническое обслуживание, воду, химикаты, запасные части и другие расходные материалы, включая иные затраты на уплату налогов и страховку, входят в состав затрат в целом на эксплуатацию и техобслуживание. С ростом величины электростанции увеличивается и количество единиц оборудования, а с ростом количества единиц оборудования увеличиваются и указанные затраты в целом. В поиске достижения большей производительности используется более прогрессивная и дорогостоящая технология работы газовых турбин. Затраты на техобслуживание в связи с использованием новых экзотических материалов, сложных лопастей и аппаратных средств планируют как значительно превышающие те затраты, которые потребовались бы для чуть менее эффективных перечисленных выше аппаратных средств, зарекомендовавших себя газовых турбин и рассчитанных на них проектов систем выработки электроэнергии.The cost of labor, fuel, maintenance, water, chemicals, spare parts and other consumables, including other expenses for paying taxes and insurance, are part of the overall costs of operation and maintenance. With an increase in the size of a power plant, the number of units of equipment also increases, and with an increase in the number of units of equipment, the indicated costs increase as a whole. In the search for greater productivity, a more advanced and expensive gas turbine technology is used. Maintenance costs associated with the use of new exotic materials, complex vanes and hardware are planned to be significantly higher than those that would be required for the slightly less efficient hardware listed above, proven gas turbines and designed for them electricity generation systems.

Для того чтобы быть готовыми к неполадкам в работе оборудования, владельцам электростанции необходимо иметь в запасе большое количество запасных частей. Это приводит к накоплению запасов и, соответственно, высоким затратам с точки зрения неиспользованного капитала и налогов. Владельцы и операторы электростанций всегда преследуют цель сокращения затрат на эксплуатацию и техобслуживание.In order to be prepared for equipment malfunctions, owners of the power plant must have a large number of spare parts in stock. This leads to stockpiling and, consequently, high costs in terms of unused capital and taxes. Owners and operators of power plants are always committed to reducing operating and maintenance costs.

Компрессия газового топливаGas compression

Согласно имеющимся прогнозам, стабильные запасы и цена на природный газ сохранятся до 2010 года. Этот вид топлива является чистым, эффективным, недорогим и, таким образом, предпочтительным для электростанций с комбинированием циклов. Однако если электростанции расположены вдали от основных газопроводов, природный газ, поступающий при пониженном давлении, необходимо сжимать для достижения давления, достаточного для использования в газовой турбине. Кроме того, газовые турбины повышенной производительности, как, например, модель Westinghouse 501G, требуют более высокого давления природного газа, чем газовые турбины с более низкими соотношениями давления, например, модель компании “General Electric” PG7241FA. Требования относительно более высокого давления природного газа приводят к необходимости использования дорогостоящих компрессоров природного газа и являются обязательными для работы электростанции (работа электростанции без них невозможна). Указанные компрессоры требуют постоянного технического обслуживания, а также потребляют паразитную энергию (энергия, необходимая для работы компрессоров, сокращает полезную мощность, поступающую в электрические сети). Уменьшение потребности в таких компонентах уменьшает стоимость монтажа электростанции, требования к объектам недвижимости, улучшает показатели надежности и увеличивает объем выработанной полезной электроэнергии.According to current forecasts, stable reserves and the price of natural gas will remain until 2010. This type of fuel is clean, efficient, inexpensive, and thus preferred for combined cycle power plants. However, if the power plants are located away from the main gas pipelines, the natural gas coming under reduced pressure must be compressed to achieve a pressure sufficient for use in a gas turbine. In addition, high-performance gas turbines, such as the Westinghouse 501G model, require higher natural gas pressures than gas turbines with lower pressure ratios, such as the General Electric model PG7241FA. Requirements for a higher natural gas pressure necessitate the use of expensive natural gas compressors and are mandatory for the operation of a power plant (operation of a power plant is impossible without them). These compressors require constant maintenance, as well as consume stray energy (the energy needed to operate the compressors reduces the net power supplied to the electrical network). Reducing the need for such components reduces the cost of installing a power plant, the requirements for real estate, improves reliability and increases the amount of generated useful electricity.

Надежность электростанцииPower Plant Reliability

Вопросы энергетической надежности стали аспектом, интересующим как индивидуальных потребителей электроэнергии, так и промышленных пользователей.The issues of energy reliability have become an aspect of interest for both individual consumers of electricity and industrial users.

Следовательно, технология выработки электроэнергии обязана быть стабильной и надежной. В патенте США 5628183 Райса (Rice) предлагается система электростанции с комбинированием циклов повышенной производительности. Однако указанная система предполагает использование диверторов в ПГРТ, а установки для реформинга природного газа и сверхперегретого пара до 1400°F. Такие системы значительно увеличат стоимость установки и затраты на эксплуатацию и техобслуживание. Кроме того, до настоящего времени вентили котлов, ПГРТ и паровые турбины не продемонстрировали способности к долгосрочной надежной работе при температуре выше 1150°F, а ПГРТ с диверторами и реформингом природного газа еще не имеют стабильной репутации на рынке.Therefore, the technology of power generation must be stable and reliable. US Pat. No. 5,628,183 to Rice proposes a power plant system with a combination of high capacity cycles. However, this system involves the use of divertors in PGRT, and installations for the reforming of natural gas and superheated steam to 1400 ° F. Such systems will significantly increase the cost of installation and the cost of operation and maintenance. In addition, to date, boiler valves, PGRT and steam turbines have not demonstrated their long-term reliable operation at temperatures above 1150 ° F, and PGRT with divertors and natural gas reforming do not yet have a stable reputation in the market.

Потребление воздухаAir consumption

Двигатели газовых турбин потребляют большое количество воздуха. Типичные установки с комбинированием циклов потребляют около 20 Ibs. воздуха на киловатт произведенной электроэнергии. Это соответствует примерно 260 кубических футов (на уровне моря) на киловатт. При этом воздух до его поступления в газовую турбину необходимо пропустить через фильтр, с тем, чтобы избежать неполадок, возможных при попадании посторонних объектов в газовую турбину. Время от времени воздушные фильтры необходимо прочищать и/или заменять. Это увеличивает затраты на эксплуатацию и техобслуживание, а также время простоя электростанции (время, когда электростанция не работает и не производит электроэнергию).Gas turbine engines consume large amounts of air. Typical combined cycle plants consume about 20 Ibs. air per kilowatt of electricity generated. This corresponds to approximately 260 cubic feet (at sea level) per kilowatt. At the same time, air must be passed through the filter before it enters the gas turbine, in order to avoid malfunctions that may occur if foreign objects enter the gas turbine. From time to time, air filters must be cleaned and / or replaced. This increases the costs of operation and maintenance, as well as the downtime of the power plant (the time when the power plant is not working and does not produce electricity).

Кроме того, воздух, потребляемый газовой турбиной, поступает в ПГРТ, а затем в виде выхлопов поступает в атмосферу. С потреблением большего количества воздуха большее количество воздуха должно попадать в атмосферу в качестве выхлопов. Это приводит к потере производительности, так как температура выхлопов ПГРТ обычно составляет 180°F. Кроме того, выбрасываемый поток воздуха нагревает атмосферу и является причиной локальных проблем с качеством воздуха.In addition, the air consumed by the gas turbine enters the HRSG and then enters the atmosphere in the form of exhausts. With the consumption of more air, more air must enter the atmosphere as exhaust. This results in a loss of performance, since the temperature of the HRSG exhaust is typically 180 ° F. In addition, the emitted air stream heats the atmosphere and causes local problems with air quality.

Выбросы от электростанцийPower Station Emissions

Для того чтобы получить разрешение на эксплуатацию, электростанция сначала должна получить лицензию. Последняя обычно устанавливает допустимые уровни выбросов электростанцией загрязняющих веществ. Электростанции с комбинированием циклов, в сравнении с иными традиционно используемыми системами, являются очень чистыми производителями электроэнергии, но их “бичом” обычно является загрязнитель с установленным предельно допустимым содержанием - закись азота (NOX). Последний обычно регулируется путем впрыскивания пара и/или воды в газовую турбину, системами сухого низкого горения NOX и/или последующей очистки выхлопных газов. В качестве последнего способа обычно используют так называемое “выборочное каталитическое сокращение” (SCR), заключающееся во впрыскивания аммиака (NH3) в поток выхлопных газов в присутствии катализатора при определенном уровне температуры для обратного превращения NOX, полученного в процессе горения, в N2 и H2O.In order to obtain a permit for operation, the power plant must first obtain a license. The latter usually sets acceptable levels of pollutant emissions by the power plant. Combined-cycle power plants, in comparison with other traditionally used systems, are very clean energy producers, but their “scourge” is usually a pollutant with a set maximum permissible content - nitrous oxide (NOX). The latter is usually controlled by injecting steam and / or water into a gas turbine, dry low-combustion NOX systems and / or subsequent purification of exhaust gases. As the latter method, the so-called “selective catalytic reduction” (SCR) is usually used, which consists of injecting ammonia (NH 3 ) into the exhaust stream in the presence of a catalyst at a certain temperature level to reverse convert the NOX obtained during combustion to N 2 and H 2 O.

В патентах 3879616 Бейкера (Baker) и др., 4578944 Мартенса (Martens) и др. и 5269130 Финкха (Finckh) и др. нагрузка электростанции управляется посредством изменения выработки газовой турбины. Однако в случае частичной нагрузки газовой турбины выхлопы NOX обычно увеличиваются. Поэтому для уменьшения выбросов может оказаться необходимым введение большего количества аммония в выхлопные газы. Это приводит к увеличению затрат на эксплуатацию и техобслуживание и может оказаться настолько серьезным препятствием, что на стадии разработки электростанции желаемые газовые турбины не смогут использоваться в связи с высоким уровнем выбросов при работе в условиях частичной нагрузки. Также при работе на полную мощность некоторые электростанции могут не нуждаться в ВКС, а при частичной нагрузке ВКС будет обязательным. Другим фактором, связанным с выбросами в атмосферу, является потребление воздуха. Газовые турбины нуждаются в большом количестве воздуха, а чем больше потребляется воздуха, тем больше возможности выбросов в атмосферу.In Patents 3,879,616 to Baker et al., 4,578,944 to Martens et al. And 5,269,930 to Finckh et al. The load of a power plant is controlled by changing the output of a gas turbine. However, in the case of a partial load of a gas turbine, NOX emissions usually increase. Therefore, in order to reduce emissions, it may be necessary to introduce more ammonia into the exhaust gas. This leads to an increase in operating and maintenance costs and can be such a serious obstacle that at the stage of development of a power plant, the desired gas turbines cannot be used due to the high level of emissions during operation under partial load conditions. Also, when operating at full capacity, some power plants may not need VKS, and at a partial load, VKS will be mandatory. Another factor associated with air emissions is air consumption. Gas turbines need a lot of air, and the more air is consumed, the greater the possibility of emissions into the atmosphere.

Также необходимо отметить, что ученые, изучающие современную тенденцию глобального потепления, обнаружили увеличение в течение прошлого века количества двуокиси углерода, и что с начала технической революции имело место увеличение уровня СО2 на 1-3 квазипиковых уровня в год, а сегодняшний уровень превышает 350 квазипиковых уровней. Такой рост содержания СО2 предположительно напрямую влияет на глобальную окружающую среду, а также оказывает пагубное влияние на глобальный климат. Ученые и правительства в настоящее время озабочены определением того, какие должны быть наложены ограничения по СО2 для разрешения данной проблемы. Исходя из такой тенденции, электростанции будущего должны иметь как можно более высокую эффективность с точки зрения не только выработки NOX, но и СО2. Настоящее изобретение уделяет особенное внимание вопросам такой эффективности.It should also be noted that scientists studying the current global warming trend have found an increase in carbon dioxide over the past century, and that since the beginning of the technical revolution, there has been an increase in CO 2 levels of 1-3 quasi-peak levels per year, and today's level exceeds 350 quasi-peak levels. Such an increase in CO 2 content is believed to directly affect the global environment, and also has a detrimental effect on the global climate. Scientists and governments are currently preoccupied with determining what CO 2 restrictions should be imposed to solve this problem. Based on this trend, power plants of the future should have the highest possible efficiency in terms of not only NOX production, but also CO 2 . The present invention pays particular attention to issues of such effectiveness.

В заключение необходимо отметить, что имеют место определенные существенные юридические аспекты (включая штрафы и санкции) для электростанций, нарушающих положения о чистом воздухе в различных государствах, в основном в США. Смотрите статью “Изучение 'новых источников'” в журнале “Нэшинэл Ло Джорнал” за 23 августа 1999 года (Jonathan S. Martel, '"New Source' Scrutiny", THE NATIONAL LAW JOURNAL, at B6 (August 23,1999)).In conclusion, it should be noted that there are certain significant legal aspects (including fines and sanctions) for power plants that violate clean air regulations in various states, mainly in the United States. See the article “Exploring 'New Sources'” in the National Law Journal of August 23, 1999 (Jonathan S. Martel, '"New Source' Scrutiny", THE NATIONAL LAW JOURNAL, at B6 (August 23,1999)).

Вопросы охраны окружающей средыEnvironmental issues

Кроме выбросов в атмосферу, возникают иные вопросы влияния на окружающую среду. Для работы паровой электростанции необходим источник чистой воды для обеспечения подпитывающей воды. Такая вода используется для возмещения пара/воды, потерянных в результате утечек, сброса (конденсата, отстоя) или иных причин. На сброс идет вода, которая выделяется из отсеков испарителя ПГРТ и сбрасывается в канализацию. Такая вода обычно берется из нижней точки ПГРТ для удаления питающей воды, в которой имеется высокое содержание минералов и отложений. Этот процесс помогает сохранять проход для пара чистым, обеспечивает минимальные отложения в паровой турбине и неполадки в работе лопастей, возникающие из-за поломок, вызванных коррозией. Сбрасываемая вода должна сливаться в реки, протоки и т.п., на что требуется разрешение, получение которого у государственных органов является трудным и долгим процессом.In addition to air emissions, other environmental issues arise. To operate a steam power station, a source of clean water is needed to provide make-up water. Such water is used to recover steam / water lost as a result of leaks, discharge (condensate, sludge) or other reasons. Water is discharged, which is released from the compartments of the PGRT evaporator and discharged into the sewer. Such water is usually taken from the bottom of the PGRT to remove feed water, which has a high content of minerals and sediments. This process helps keep the steam passage clean, provides minimal deposits in the steam turbine and blade malfunctions due to breakdowns caused by corrosion. The discharged water must be discharged into rivers, canals, etc., which requires permission, the receipt of which from government bodies is a difficult and lengthy process.

Система распределения контроля электростанции (СРК)Power Plant Control Distribution System (SRK)

Современные электростанции с комбинированием циклов обычно используют систему распределения контроля (СРК (DCS)) для осуществления управления всей электростанцией. Такие СРК интегрированы с индивидуальными системами управления паровыми и газовыми турбинами. С помощью СРК можно наблюдать и осуществлять мониторинг и управление многими другими параметрами. Использование контроля для улучшения производительности или эксплуатации описано в патентах США 3879616 Бейкера (Baker) и др., 4201924 Юрама (Uram) и др. и 4578944 Мартенса (Martens) и др. Ни один из этих патентов, однако, не обеспечивает управления передачей тепла в ПГРТ. В патенте США 5269130 Финка (Finckh) и др. метод использования избыточного тепла в ПГРТ используется для работы при частичной нагрузке газовой турбины. Такой метод, однако, не обеспечивает полного контроля, а только является средством для регенерации низкотемпературной использованной теплоты. Ни одним из вышеназванных патентов не предложен метод регулирования температуры выхлопного газа ПГРТ до оптимальной температуры.Modern combined cycle power plants typically use a control distribution system (DCS) to control the entire power plant. Such dispensers are integrated with individual control systems for steam and gas turbines. With the help of IBS, it is possible to observe and monitor and control many other parameters. The use of control to improve performance or operation is described in US Pat. Nos. 3,879,616 to Baker et al., 4,201,924 to Uram et al. And 4,578,944 to Martens et al. None of these patents, however, provide heat transfer control in PGRT. In US Pat. No. 5,269,930 to Finckh et al., A method for utilizing excess heat in a HRSG is used to operate under a partial load of a gas turbine. Such a method, however, does not provide complete control, but is only a means for the regeneration of low-temperature used heat. None of the aforementioned patents has proposed a method for controlling the temperature of the exhaust gas PGRT to the optimum temperature.

Эффективность эксплуатации электроэнергииEnergy Efficiency

Электростанции с комбинированием циклов в рамках существующего уровня техники, спроектированные для работы с максимальной эффективностью, обычно используют ПГРТ с различными уровнями давления и как правило работают на трех уровнях давления. Для каждого ПГРТ, а также для каждого уровня давления операторам приходится следить за уровнем разделительного барабана котла. Также необходимо наблюдать за такими параметрами, как качество воды и содержание химических веществ в случае каждого ПГРТ. Так как нагрузка системы для каждой электростанции общего пользования разная, необходимо использование электростанций с комбинированием циклов, как и других электростанций, в соответствии с распределением нагрузки, или обеспечение нагрузки в соответствии с потребностями системы электроснабжения. Это означает, что электростанции не будут работать с фиксированной нагрузкой, а требования к их нагрузке будут постоянно меняться, чтобы отвечать нуждам системы. Для увеличения нагрузки можно использовать дополнительное сжигание топлива (дополнительное количество топлива сжигается в/или около впускного отверстия в ПГРТ для пополнения энергии выхлопных газов). Однако это является очень губительным для общей эффективности электростанции. Это отмечено Райсом (Rice) в патенте 5628183 в связи с анализом, проведенным "Westinghouse" и "General Electric". Myp (Moore) в патенте 5649416 указывает, чтоPower plants with combined cycles within the framework of the current level of technology, designed to operate with maximum efficiency, usually use HRSG with different pressure levels and usually operate at three pressure levels. For each PGRT, as well as for each pressure level, operators have to monitor the level of the separator drum of the boiler. It is also necessary to monitor parameters such as water quality and chemical content for each HRS. Since the system load for each public power plant is different, it is necessary to use power plants with a combination of cycles, like other power plants, in accordance with the load distribution, or ensure the load in accordance with the needs of the power supply system. This means that power plants will not work with a fixed load, and their load requirements will constantly change to meet the needs of the system. To increase the load, you can use additional fuel combustion (additional fuel is burned in / or near the inlet in the HRSG to replenish the exhaust gas energy). However, this is very detrimental to the overall efficiency of the power plant. This is noted by Rice in Patent 5628183 in connection with analysis by Westinghouse and General Electric. Myp (Moore) in patent 5649416 indicates that

“Дополнительное сжигание топлива парового генератора регенерации тепла может увеличить совокупный объем выработанной энергии и количество общего объема энергии, произведенной паровой турбиной, но только при условии уменьшения совокупной тепловой эффективности электростанции". Поэтому обычно в электростанциях с комбинированием циклов дополнительное сжигание топлива используется не часто или же не используется вообще. Поэтому для изменения и соответствия различным нагрузкам системы газовые турбины переводятся из режима работы с полной нагрузкой в режим работы с частичной нагрузкой.“The additional combustion of fuel from a steam heat recovery generator can increase the total amount of energy generated and the total amount of energy produced by a steam turbine, but only if the total thermal efficiency of the power plant decreases.” Therefore, usually in combined-cycle power plants, additional combustion is not often used or therefore, to change and correspond to various system loads, gas turbines are transferred from the operating mode with lnoy load operation to partial load.

Кроме того, как было отмечено выше, работа при частичной нагрузке приводит к увеличению выбросов в атмосферу, что также пагубно влияет на производительность. На Фиг.7 изображена кривая отношения производительности газовой турбины к ее нагрузке. При 100% нагрузке она потребляет 100% топлива, однако при 60%-ной нагрузке она потребляет 70,5% от топлива, потребляемого при полной нагрузке. Это представляет собой увеличение на 17,5% в потреблении определенного топлива. В случае крупных центральных электростанций это соответствует значительному увеличению дополнительных затрат на топливо. Кроме того, работа при частичной нагрузке газовой турбины приводит обычно к увеличению выбросов NOX, наиболее сложно поддающихся удовлетворению требованиям по допустимому уровню. Режим работы при частичной нагрузке газовой турбины также изменяет поток выхлопных гадов через ПГРТ. Такое изменение потока отрицательно влияет на передачу тепла в ПГРТ, так как это устройство сконструировано из расчета фиксированной площади поверхности теплообменника. Такой феномен вместе с сокращением эффективности работы газовой турбины является фактором, который также пагубно влияет на эффективность электростанции, работающей в режиме частичной нагрузки. Поскольку работа с частичной нагрузкой значительно меняет уровень температуры в ПГРТ, это может привести к неэффективному использованию СРК.In addition, as noted above, operation under partial load leads to an increase in air emissions, which also adversely affects performance. Figure 7 shows a curve of the ratio of the productivity of a gas turbine to its load. At 100% load, it consumes 100% of the fuel, but at 60% load it consumes 70.5% of the fuel consumed at full load. This represents a 17.5% increase in the consumption of a particular fuel. In the case of large central power plants, this corresponds to a significant increase in additional fuel costs. In addition, operation under partial load of a gas turbine usually leads to an increase in NOX emissions, the most difficult to meet the requirements for acceptable levels. The operation mode at partial load of the gas turbine also changes the flow of exhaust reptiles through PGRT. Such a change in flow negatively affects the heat transfer to the HRSG, since this device is designed based on the calculation of the fixed surface area of the heat exchanger. Such a phenomenon, together with a decrease in the efficiency of a gas turbine, is a factor that also adversely affects the efficiency of a partial load power plant. Since partial load operation significantly changes the temperature level in PGRT, this can lead to inefficient use of IBS.

Торцевая нагрузка выхлопа паровой турбиныSteam turbine exhaust end load

Кроме ограничений давления и температуры впускного отверстия, еще одним общим ограничением для паровой турбины является торцевая нагрузка выхлопа. Вообще говоря, она является функцией двух параметров: торцевого потока выхлопных газов и давления выхлопов. Эти два фактора определяют объемный расход потока, проходящего через последний отсек лопастей паровой турбины. Для оптимальной работы производители паровых турбин обычно указывают величину объемного расхода. С увеличением объемного расхода могут потребоваться дополнительные, более крупные лопасти и/или большее количество выхлопных отсеков.In addition to restrictions on pressure and inlet temperature, another common restriction for a steam turbine is the end load of the exhaust. Generally speaking, it is a function of two parameters: the end flow of exhaust gases and exhaust pressure. These two factors determine the volumetric flow rate of the stream passing through the last compartment of the blades of a steam turbine. For optimum performance, steam turbine manufacturers usually indicate volumetric flow rates. As volumetric flow increases, additional, larger blades and / or more exhaust compartments may be required.

Однако в связи с механическими ограничениями (по центробежной силе) после достижения максимальных объемных расходов ограничений для самых больших лопастей возможно добавить дополнительные отсеки и лопасти к выпускному выхлопному отверстию паровой турбины для обеспечения бесперебойного прохождения потока. Это увеличивает стоимость установки и требования по объектам недвижимости в отношении паровой турбины. Благодаря своей конфигурации традиционный комбинированный цикл отправляет пар высокого давления к впускному отверстию высокого давления паровой турбины, затем добавляет пар, поступающий из отсека промежуточного давления ПГРТ к данному потоку на впускном отверстии отсека промежуточного давления паровой турбины, а затем добавляет больше пара из отсека низкого давления ПГРТ к этому потоку во впускном отверстии отсека низкого давления паровой турбины.However, due to mechanical restrictions (centrifugal force), after reaching the maximum volumetric flow rates of the restrictions for the largest blades, it is possible to add additional compartments and blades to the exhaust outlet of the steam turbine to ensure uninterrupted flow. This increases the installation cost and property requirements for the steam turbine. Due to its configuration, the traditional combined cycle sends high pressure steam to the high pressure inlet of the steam turbine, then adds the steam coming from the intermediate pressure compartment of the HRTG to this stream at the inlet of the intermediate pressure compartment of the steam turbine, and then adds more steam from the low pressure compartment of the HRTG to this stream in the inlet of the low pressure compartment of the steam turbine.

Поэтому в таком варианте через отсеки высокого и промежуточного давления паровой турбины проходят относительно меньшие потоки и они обладают более низкой производительностью, чем отсек низкого давления. Такой вариант в результате приводит к работе паровых турбин в режиме, когда уровень выхлопов достигает ограничения или приближается к ограничению торцевого предела выхлопа паровой турбины. Это обеспечивает отсутствие помех для временного увеличения мощности для производства энергии на пике нагрузки, а также не оставляет или почти не оставляет возможности для улучшения технических характеристик паровой турбины в будущем для достижения более высоких параметров энергии. В общем такой вариант паровой турбины является менее эффективным, чем традиционные паровые турбины для электростанций, так как отсеки высокого и промежуточного давления имеют низкие волюметрические потоки.Therefore, in this embodiment, relatively smaller flows pass through the high and intermediate pressure compartments of the steam turbine and they have lower performance than the low pressure compartment. This option as a result leads to the operation of steam turbines in the mode when the exhaust level reaches a limit or approaches the limit of the end limit of the exhaust of a steam turbine. This ensures that there is no interference for a temporary increase in power to produce energy at peak load, and also leaves little or no room for improving the technical characteristics of a steam turbine in the future to achieve higher energy parameters. In general, this type of steam turbine is less efficient than traditional steam turbines for power plants, since the high and intermediate pressure compartments have low volumetric flows.

В информационной брошюре компании “General Electric” GER-3582E (1996) под названием “Паровые турбины для электростанций с комбинированием циклов типа STAG” автора М. Босса ("Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems", by M. Boss), рассматривается нагрузка торцевого выхлопа паровой турбины, что отражает существующий уровень техники:In the General Electric company’s brochure GER-3582E (1996) entitled “Steam Turbines for STAG Combined Cycles” by M. Boss (“Steam Turbines for STAG ™ Combined Cycle Power Systems”, by M. Boss), the load of the end exhaust of a steam turbine is considered, which reflects the current level of technology:

“Размер выхлопов является важным для любой паровой турбины, но особенно важным для комбинирования циклов. Обычно отсутствуют какие-либо экстракции паровой турбины, так как нагрев питающей воды обычно осуществляется внутри ПГРТ. Образование пара на различных уровнях давления (подача пара промежуточного уровня давления и/или низкого давления к дроссельной заслонке) увеличивает массу потока в то время, как пар расширяется внутри турбины. Поток массы на выхлопе звена узла комбинирования циклов в системе с тремя уровнями давления может быть выше на 30%, чем поток перед дроссельной заслонкой. Это находится в прямом противоречии с большинством звеньев с котлами с подводом тепла от сжигания топлива, где масса потока выхлопов примерно на 25-30% меньше, чем масса потока перед дроссельной заслонкой из-за экстракций из турбины для многочисленных этапов нагревания питающей воды”.“The exhaust size is important for any steam turbine, but especially important for combining cycles. Usually, there is no extraction of a steam turbine, since the heating of the feed water is usually carried out inside the HRSG. The generation of steam at various pressure levels (supplying an intermediate level of pressure and / or low pressure to the throttle valve) increases the mass of the stream while the steam expands inside the turbine. The mass flow at the exhaust of a unit of the combination of cycles in a system with three pressure levels can be higher by 30% than the flow before the throttle. This is in direct contradiction with most links with boilers with heat input from fuel combustion, where the mass of the exhaust stream is about 25-30% less than the mass of the stream before the throttle due to extraction from the turbine for many stages of heating the feed water. ”

Объекты недвижимостиReal estate

Установка с комбинированием циклов хотя обычно и имеет меньший размер по сравнению с традиционными паровыми электростанциями, тем не менее занимает большую площадь. ПГРТ со стояками особенно велики и требуют много площади (ПГРТ для одной модели газовой турбины Westinghouse 501G - приблизительно 40 футов в ширину, 70 футов в высоту и 200 футов в длину). Учитывая наличие тенденции к приватизации сектора производства электроэнергии, владельцы электростанций будут искать идеальное место для своих электростанций. Во многих случаях эти места располагаются недалеко от мест потребления, которые обычно находятся в урбанистической или промышленной зоне. Таким образом, электростанции располагаются близко к конечному потребителю электроэнергии, и для них не требуются высоковольтные линии передач (что также требует большой площади для размещения объектов недвижимости). Однако в таких районах может быть сложным и дорогостоящим приобретение объектов недвижимости, необходимых для крупных электростанций с комбинированием циклов.The combined cycle plant, although usually smaller in comparison with traditional steam power plants, nevertheless occupies a large area. HRSG with risers are especially large and require a lot of space (HRSG for one Westinghouse 501G gas turbine model is approximately 40 feet wide, 70 feet high and 200 feet long). Given the trend towards privatization of the electricity generation sector, power plant owners will look for the ideal place for their power plants. In many cases, these places are located close to places of consumption, which are usually located in an urban or industrial area. Thus, power plants are located close to the final consumer of electricity, and they do not require high-voltage transmission lines (which also requires a large area for the placement of real estate). However, in such areas it can be difficult and expensive to acquire real estate needed for large power plants with combined cycles.

Первостепенными объектами для таких электростанций с комбинированием циклов будут уже существующие электростанции, которые могут быть перенастроены в качестве производственных мощностей с комбинированием циклов. Такие объекты имеют преимущество, поскольку у них имеется надлежащая зона с необходимой электрической и механической инфраструктурой. Недостатком является то, что такой объект может испытывать нехватку в площади для осуществления проекта перевода электростанции в режим работы с комбинированием циклов. Поэтому с точки зрения наличия площади, а также с точки зрения экономии затрат, желательно ограничивать размер электростанции, насколько это представляется возможным.The paramount objects for such combined cycle power plants will be existing power plants that can be reconfigured as combined cycle production facilities. Such facilities have an advantage because they have the proper zone with the necessary electrical and mechanical infrastructure. The disadvantage is that such an object may lack space in order to carry out a project to put the power plant into operation with combined cycles. Therefore, from the point of view of the availability of space, as well as from the point of view of cost savings, it is desirable to limit the size of the power plant, as far as possible.

Уровень шума/общественное мнениеNoise Level / Public Opinion

Общественное одобрение становится все более сложно получить для многих проектов электростанций общего пользования. Такие факторы, как шум, увеличение уличного движения, неприглядность ландшафта, загрязнение, вредные отходы и многое другое, увеличивают недовольство электростанциями, расположенными вблизи населенных районов. Предпочтительными являются электростанции меньшего размера, более тихие, с меньшим количеством оборудования, с более низким уровнем выбросов и незаметные по сравнению с большими по размеру и более броскими электростанциями. Поэтому желательными являются электростанции с комбинированием циклов, являющиеся более компактными, имеющие большую “плотность электроэнергии” (энергии на единицу объема).Public approval is becoming increasingly difficult to obtain for many public power plant projects. Factors such as noise, increased traffic, unsightly terrain, pollution, hazardous waste, and more, increase dissatisfaction with power plants located near populated areas. Preferred are smaller, quieter, smaller equipment, lower emissions and inconspicuous compared to larger and more flashy power plants. Therefore, power plants with a combination of cycles, which are more compact, have a greater "density of electricity" (energy per unit volume), are desirable.

Однако строящиеся сегодня для обеспечения современных потребностей в электроэнергии традиционные электростанции просто повторяют апробированные проекты электростанций. Никакого внимания не уделяется вопросу о том, можно ли реконструировать электростанции с учетом общественного мнения касательно самих электростанций.However, traditional power plants that are being built today to meet modern energy needs simply repeat the proven designs of power plants. No attention is paid to the question of whether it is possible to reconstruct power plants taking into account public opinion regarding the power plants themselves.

Отвод теплаHeat dissipation

Традиционные паровые электростанции и электростанции с комбинированием циклов нуждаются в отводе каким-либо образом тепла. Это обычно необходимо для конденсации обратно в воду пара низкого давления выхлопов паровой турбины. Такой отвод тепла может осуществляться в воздух, реку, озеро или “резервуар”, способный поглощать тепло. Так как такой выброс тепла оказывает влияние на местную экологию и, возможно, на биологическую обстановку (например, наличие рыбы в реке), всегда имеется спрос на методы, позволяющие уменьшить выброс тепла.Conventional steam and combined cycle power plants require some kind of heat removal. This is usually necessary to condense the low pressure steam from the steam turbine exhaust. Such heat removal can take place in air, a river, a lake or a “reservoir” capable of absorbing heat. Since this heat release influences the local ecology and possibly the biological environment (for example, the presence of fish in the river), there is always a demand for methods to reduce heat release.

Спад характеристик газовой турбиныDecline in gas turbine performance

Хотя электростанции с комбинированием циклов демонстрируют высокую производительность, такая производительность имеет место в случае “новых” электростанций. Так как в существующем уровне техники комбинированный цикл обычно базируется на использовании газовых турбин, уровень его производительности очень подвержен спаду, в результате чего производительность газовой турбины значительно уменьшается (от 2% до 6%) в течение одного или двух лет работы. Это может стать существенным с точки зрения стоимости топлива, так как совокупная производительность электростанции с комбинированием циклов также снижается вместе со спадом характеристик газовой турбины.Although combined cycle power plants are highly efficient, this is the case with “new” power plants. Since in the current level of technology the combined cycle is usually based on the use of gas turbines, the level of its performance is very prone to decline, as a result of which the gas turbine's performance decreases significantly (from 2% to 6%) within one or two years of operation. This can become significant from the point of view of fuel cost, since the combined capacity of a power plant with combined cycles also decreases along with a decline in the characteristics of a gas turbine.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Соответственно, задачи настоящего изобретения направлены на решение проблем существующего уровня техники и сводятся к следующему:Accordingly, the objectives of the present invention are aimed at solving the problems of the existing level of technology and are reduced to the following:

1. Обеспечить разработку электростанции с комбинированием циклов, которая является более гибкой с точки зрения ее проектирования, чем современные предложения, и обладает возможностями для использования современных технологий, приобретаемых по необходимости.1. To ensure the development of a power plant with a combination of cycles, which is more flexible from the point of view of its design than modern proposals, and has the ability to use modern technologies, acquired as necessary.

2. Уменьшить общее потребление топлива при номинальной мощности, но особенно в условиях работы с частичной нагрузкой, так как вероятнее всего электростанция будет работать лишь небольшую часть времени в условиях полной номинальной нагрузки.2. Reduce the total fuel consumption at rated power, but especially under partial load conditions, since most likely the power plant will operate only a small part of the time under full rated load conditions.

3. Уменьшить стоимость установки электростанции, с тем чтобы обслуживание долга было значительно сокращено и финансирование банком или иным кредитным учреждением было бы для владельца более легким.3. Reduce the cost of installing a power plant so that debt servicing is significantly reduced and financing by a bank or other lending institution would be easier for the owner.

4. Сбалансировать соотношение времени и стоимости с точки зрения капиталовложений, техобслуживания и затрат на приобретение топлива, с тем чтобы создание электростанций было более экономичным, а также по возможности сократить общую стоимость производства электроэнергии.4. Balance the ratio of time and cost in terms of investment, maintenance and fuel costs, so that the creation of power plants is more economical, and if possible reduce the total cost of electricity production.

5. Обеспечить возможность удовлетворения потребностей в электроэнергии в пик сезона при работе в режиме полной нагрузки без уменьшения обычного уровня производительности или значительного увеличения стоимости монтажа.5. Provide the ability to meet the demand for electricity during the peak season when operating at full load without reducing the usual level of performance or significantly increasing the cost of installation.

6. Уменьшить потери и убытки, связанные с передачей электроэнергии на большие расстояния.6. To reduce losses and losses associated with the transmission of electricity over long distances.

7. Увеличить общую надежность сети электроснабжения путем обеспечения возможности выработки электроэнергии рядом с местом потребления в период самой большой потребности в электроэнергии.7. To increase the overall reliability of the electricity supply network by providing the possibility of generating electricity near the place of consumption during the period of greatest electricity demand.

8. Сократить затраты на эксплуатацию и техническое обеспечение. Кроме затрат на приобретение топлива, также сократить затраты на техобслуживание, поставки, запасы, страховку и иные эксплуатационные расходы.8. Reduce the cost of operation and technical support. In addition to the cost of acquiring fuel, also reduce maintenance costs, supplies, supplies, insurance and other operating costs.

9. Сократить потребность в компрессии газового топлива.9. Reduce the need for gas fuel compression.

10. Увеличить уровень надежности.10. Increase the level of reliability.

11. Снизить потребление воздуха и требования, связанные с очисткой воздуха.11. Reduce air consumption and air cleaning requirements.

12. Уменьшить выбросы в атмосферу загрязняющих веществ, особенно NOX.12. Reduce air emissions of pollutants, especially NOX.

13. Сократить слив в воду сброса от ПГРТ и иных источников.13. To reduce discharge into water of discharge from PGRT and other sources.

14. Использовать механизмы управления для максимального увеличения производительности, надежности и регенерации тепла.14. Use control mechanisms to maximize productivity, reliability and heat recovery.

15. Упростить способ эксплуатации и разработать методы и/или стратегии для увеличения производительности работы при частичной нагрузке и уменьшить уровень вредных выбросов.15. Simplify the way of operation and develop methods and / or strategies to increase the performance at part load and reduce the level of harmful emissions.

16. Оптимизировать производительность паровой турбины за счет использования проектов с улучшенной волюметрической производительностью и дополнительной мощностью для удовлетворения потребности в электроэнергии в пик сезона.16. Optimize the performance of a steam turbine through the use of projects with improved volumetric performance and additional capacity to meet the demand for electricity in peak season.

17. Обеспечить экономное отношение к земельным площадям, необходимым для размещения электростанции, за счет проектирования компактной электростанции с высокой плотностью энергии.17. To ensure an economical attitude to the land areas necessary for the location of the power plant by designing a compact power plant with a high energy density.

18. Сократить уровень шума, размеры, площади и объем оборудования для уменьшения воздействия электростанции на местное население.18. To reduce the noise level, size, area and volume of equipment to reduce the impact of the power plant on the local population.

19. Достичь минимального уровня отвода тепла.19. Achieve a minimum level of heat dissipation.

20. Обеспечить более выгодно экономически и территориально реконструкцию существующих паровых электростанций и оборудования с комбинированием циклов для уменьшения капитальных затрат и экономических последствий, связанных с монтажом большого количества нового оборудования и объектов недвижимости.20. To provide more cost-effective economic and territorial reconstruction of existing steam power plants and equipment with combined cycles to reduce capital costs and economic consequences associated with the installation of a large number of new equipment and real estate.

21. Создать экономические стимулы для использования при строительстве новых электростанций экологически чистых проектов.21. Create economic incentives for the use of environmentally friendly projects in the construction of new power plants.

22. Обеспечить проектирование электростанций с комбинированием циклов, менее восприимчивых к ухудшению характеристик газовых турбин.22. Ensure the design of power plants with a combination of cycles that are less susceptible to the deterioration of the characteristics of gas turbines.

Названные задачи могут быть решены в рамках предлагаемого изобретения, которое рассматривается в последующих разделах.These problems can be solved within the framework of the invention, which is discussed in the following sections.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Коротко говоря, настоящее изобретение является системой и методом, позволяющими использовать меньшее количество и/или меньшие по размеру газовые турбины (GT) и парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ (HRSG)) в электростанциях с комбинированием циклов. Традиционное оборудование этого типа при использовании комбинирования циклов заменяют на большие по размеру паровые турбины (ST) и парогенераторы регенерации тепла с постоянным поддержанием горения топлива, что обеспечивает ряд экономических, энергоемких и экологических преимуществ.In short, the present invention is a system and method for using fewer and / or smaller gas turbines (GTs) and heat recovery steam generators (HRSGs) in combined cycle power plants. Traditional equipment of this type, when using a combination of cycles, is replaced by large-sized steam turbines (ST) and heat recovery steam generators with constant fuel combustion, which provides a number of economic, energy-intensive and environmental benefits.

Представленная технология использует ПГРТ с несколькими уровнями давления для максимизации регенерации тепла из выхлопных газов газовой турбины. Этот вариант используют обычно, поскольку существующий уровень техники учит не применять ПГРТ с постоянным поддержанием горения из-за общей распространенной точки зрения о том, что такие конфигурации обладают более низкой тепловой производительностью. Несмотря на общее убеждение, настоящее изобретение показывает, что ПГРТ с постоянным поддержанием горения могут быть выполнены с тепловой производительностью равно или более высокой, чем известные из современной практики комбинирования циклов. Однако для достижения такого уровня производительности ПГРТ с постоянным поддержанием горения и паровые турбины должны быть спроектированы и выполнены по другому.The presented technology uses HRSG with several pressure levels to maximize heat recovery from the exhaust gases of a gas turbine. This option is usually used, since the current level of technology teaches not to use HRSG with constant combustion maintenance due to the common widespread view that such configurations have lower thermal performance. Despite the general conviction, the present invention shows that PGRT with constant combustion maintenance can be performed with a thermal capacity equal to or higher than known from modern practice of combining cycles. However, in order to achieve such a performance level of HRSG with constant combustion support, steam turbines must be designed and implemented differently.

В некоторых предпочтительных вариантах использования настоящего изобретения газовые турбины остаются неизменными по отношению к существующему уровню техники, но выхлоп осуществляется в ПГРТ. Такой ПГРТ, однако, проектируется как парогенератор с единым уровнем давления (или первоначально имеющий единый уровень давления), который оптимизирован для обеспечения поддержания постоянного горения и образования пара с более высоким давлением, в отличие от случаев традиционного применения комбинирования циклов. Кроме того, названный ПГРТ проектируется так, чтобы управлять потоками питающей воды через экономайзер/отсеки питающей воды для максимального увеличения регенерации тепла. Кроме того, паровые турбины проектируются имеющими большие размеры, что типично для традиционной электростанции цикла Ренкайна, где перегрев и получаемый пар традиционной паровой турбины поступает в нагреватели питающей воды для максимального увеличения тепловой производительности. Такое преимущество большей по размеру паровой турбины, которая обычно применяется в традиционной паровой электростанции, которая описывается Муром (Moore) в патенте 5649416, принадлежащем компании “General Electric”:In some preferred embodiments of the use of the present invention, gas turbines remain unchanged with respect to the prior art, but the exhaust is carried out in the HRSG. Such PGRT, however, is designed as a steam generator with a single pressure level (or initially having a single pressure level), which is optimized to ensure constant combustion and the formation of steam with a higher pressure, in contrast to the cases of the traditional use of combination cycles. In addition, the named PGRT is designed to control feed water flows through the economizer / feed water compartments to maximize heat recovery. In addition, steam turbines are designed to be large in size, which is typical of a traditional power plant in the Rankine cycle, where overheating and the resulting steam from a traditional steam turbine are fed to feed water heaters to maximize thermal performance. This is the advantage of a larger steam turbine, which is commonly used in a traditional steam power plant, which is described by Moore in Patent 5649416, owned by General Electric:

“Традиционные паровые электростанции имеют преимущества как по более низкой себестоимости, так и более высокой производительности по причине экономии диапазона параметров. Традиционное эмпирическое правило относительно стоимости гласит, что удвоение параметров электростанции приводит к уменьшению себестоимости на десять процентов. Себестоимость одной крупной производственной единицы согласно такому правилу предположительно будет на десять процентов ниже, чем себестоимость электростанции, состоящей из двух единиц половинного размера”.“Traditional steam power plants have advantages in terms of both lower cost and higher productivity due to the economical range of parameters. The traditional rule of thumb regarding cost states that doubling the parameters of a power plant results in a ten percent reduction in cost. According to this rule, the cost of one large production unit is supposed to be ten percent lower than the cost of a power plant consisting of two half-size units. ”

“Уровень производительности также улучшается с увеличением размеров и параметров энергии. Как и в случае турбомашиностроения в целом, собственная производительность паровой турбины является сильной функцией объемных расходов потока на входе, являющихся прямо пропорциональными этим параметрам. Также общеизвестно, что тепловая производительность цикла Ренкайна увеличивается с давлением, при котором образуется пар. Увеличение давления, однако, уменьшает объемный расход поток пара у впускного отверстия турбины, тем самым сокращая мощность внутреннего расширения. Это в результате приводит к тому, что совокупная производительность при низких объемных расходах потока значительно выше совокупной производительности при высоких объемных расходах. Поэтому дополнительным преимуществом увеличения размера турбины, относящимся к рабочим показателям, является то, что более высокое давление пара перед дроссельной заслонкой может использоваться более эффективно”.“The level of performance also improves with increasing size and energy parameters. As in the case of turbomachine engineering in general, the in-house productivity of a steam turbine is a strong function of the volumetric flow rates at the inlet, which are directly proportional to these parameters. It is also well known that the thermal performance of the Rankine cycle increases with the pressure at which steam is generated. An increase in pressure, however, reduces the volumetric flow rate of the steam stream at the turbine inlet, thereby reducing the internal expansion power. This as a result leads to the fact that the total productivity at low volumetric flow rates is significantly higher than the total productivity at high volumetric flows. Therefore, an additional advantage of increasing turbine size related to performance is that higher steam pressure in front of the throttle can be used more efficiently. ”

С использованием ПГРТ с достаточным запасом топлива для дополнительного горения нижний цикл согласно настоящему изобретению может быть более независимым от работы газовой турбины. Поэтому газовые турбины могут работать при полной нагрузке, в то время как совокупная нагрузка электростанции изменяется в соответствии с ее широкими возможностями работы в режиме полной нагрузки только благодаря изменению параметров дополнительного горения и нагрузки паровой турбины. Это увеличивает общую производительность электростанции с использованием определенного набора газовых турбин, обеспечивает гибкость параметров электростанции с комбинированием циклов путем изменения характеристик дополнительного горения, а также увеличивает общую тепловую производительность электростанции при работе с частичной нагрузкой. Кроме того, это упрощает работу, а также потенциально может влиять на уменьшение выбросов.Using PGRT with sufficient fuel for additional combustion, the lower cycle of the present invention may be more independent of the operation of a gas turbine. Therefore, gas turbines can operate at full load, while the combined load of a power plant changes in accordance with its wide capabilities in full load operation only due to a change in the parameters of additional combustion and the load of a steam turbine. This increases the overall capacity of the power plant using a specific set of gas turbines, provides flexibility of the parameters of the power plant with a combination of cycles by changing the characteristics of additional combustion, and also increases the overall thermal performance of the power plant when working with partial load. In addition, it simplifies the work and can also potentially reduce emissions.

Проектирование позволяет создать ПГРТ, обеспечивающие горение при температуре до 2400°F, образцовая простая конструкция “2 в 1”, в котором представлены две газовые турбины и одна большая паровая турбина, заменяет две конструкции “2 в 1” (конструкции “4 в 1” обычно не используют, если применяют перегрев, - из-за проблем балансировки в профиле перегрева). Такая образцовая конструкция экономит две газовые турбины, два ПГРТ, одну паровую турбину, три переключателя, три трансформатора, а также вспомогательное оборудование, объекты недвижимости и техническое обеспечение, необходимое для поддержания данного оборудования. Капитальные затраты для электростанции в долларах США/кВт, таким образом, могут быть значительно уменьшены с использованием настоящего изобретения.Design allows you to create PGRT, providing combustion at temperatures up to 2400 ° F, an exemplary simple design “2 in 1”, which presents two gas turbines and one large steam turbine, replaces two structures “2 in 1” (design “4 in 1” usually not used if overheating is used, due to balancing problems in the overheating profile). This exemplary design saves two gas turbines, two PGRT, one steam turbine, three switches, three transformers, as well as auxiliary equipment, real estate and technical support necessary to maintain this equipment. The capital costs for a power plant in US dollars / kW can thus be significantly reduced using the present invention.

Все это может быть достигнуто с использованием уже опробованных в области турбомашиностроения технологий и аппаратных средств. Использование ПГРТ с постоянным поддержанием горения и единым уровнем давления является новой концепцией для данного устройства, однако также не выходит за рамки ни современной технологической практики, ни возможности внедрения при имеющейся технике. Поэтому с точки зрения надежности отсутствуют или почти отсутствуют какие-либо взаимные противоречия. Общая конструкция для нескольких предпочтительных вариантов изобретения представлена на чертеже Фиг.13, а некоторые примерные варианты с большим количеством деталей показаны на чертежах Фиг.9 и Фиг.15.All this can be achieved using technologies and hardware already tested in the field of turbomachine engineering. The use of PGRT with constant combustion support and a uniform pressure level is a new concept for this device, but it also does not go beyond the scope of modern technological practice or the possibility of implementation with the existing equipment. Therefore, from the point of view of reliability, there are no or almost no mutual contradictions. The general construction for several preferred embodiments of the invention is shown in FIG. 13, and some exemplary embodiments with a large number of details are shown in FIG. 9 and FIG. 15.

Усовершенствования по сравнению с предшествующим уровнем техникиImprovements in comparison with the prior art

Настоящее изобретение разрешает проблемы предшествующего уровня техники в данной области за счет того, что достигаются следующие цели:The present invention solves the problems of the prior art in this field by achieving the following objectives:

1. Обеспечение большей гибкости при проектировании электростанции с комбинированием циклов таким образом, что разработчики могут добиться высокого уровня производительности, выбирая при этом конкретно заданную мощность.1. Providing greater flexibility in the design of a power plant with a combination of cycles in such a way that developers can achieve a high level of productivity, while choosing a specific power.

2. Уменьшение общего потребления топлива при одновременном улучшении производительности в режиме работы с полной и частичной нагрузкой.2. Reducing overall fuel consumption while improving performance in full and partial load operation.

3. Уменьшение затрат на размещение и монтаж парка оборудования за счет увеличения плотности энергии оборудования (большее количество выработанной энергии на единицу оборудования).3. Reducing the cost of placement and installation of the equipment fleet by increasing the energy density of the equipment (a greater amount of energy generated per unit of equipment).

4. Уменьшение общих затрат на производство электроэнергии за счет снижения трех основных факторов, связанных с ее производством: потребление энергии, капитальные затраты и затраты на техническое обслуживание.4. Reducing the total cost of electricity production by reducing the three main factors associated with its production: energy consumption, capital costs and maintenance costs.

5. Обеспечение временных мощностей для достижения пиковых нагрузок при использовании дополнительного горения для образования большего количества пара, а также применения режима работы паровой турбины при избыточном давлении (давление на впуске несколько выше номинального) и уменьшения потока выделяемого пара к нагревателям питающей воды.5. Providing temporary capacities to achieve peak loads when using additional combustion to generate more steam, as well as applying the steam turbine operating mode at overpressure (inlet pressure is slightly higher than the nominal pressure) and reducing the flow of generated steam to the feed water heaters.

6. Увеличение эффективности сети энергоснабжения путем обеспечения возможности локального производства электроэнергии в пик сезона. Обеспечение производства электроэнергии в пик сезона на местах позволяет устранить или уменьшить недостатки, связанные с “импортом” электроэнергии из других районов страны или из-за границы. (Имеются в виду потери при передаче по линиям электропередачи).6. Increasing the efficiency of the energy supply network by providing the possibility of local electricity production at peak season. Ensuring the production of electricity at the peak season in the field eliminates or reduces the shortcomings associated with the “import” of electricity from other parts of the country or from abroad. (Refers to transmission losses on power lines).

7. Увеличение надежности сети электроснабжения за счет сокращения передачи электроэнергии на большие расстояния в пик сезона при максимальной нагрузке.7. Increasing the reliability of the power supply network by reducing the transmission of electricity over long distances at peak season at maximum load.

8. Сокращение затрат на эксплуатацию и техническое обеспечение в основном путем уменьшения количества оборудования, систем, а также использования оборудования, требующего меньших затрат на техобслуживание на киловатт выработанной электроэнергии (паровых турбин с низкой потребностью в техобслуживании вместо газовых турбин, аналогичные потребности которых высоки).8. Reduction of operating and maintenance costs mainly by reducing the number of equipment, systems, as well as the use of equipment requiring less maintenance for a kilowatt of generated electricity (steam turbines with low maintenance needs instead of gas turbines, whose similar needs are high).

9. Минимизация необходимости компрессии топливного газа за счет использования меньшего количества газовых турбин и газовых турбин с более низким давлением топливного газа в цикле вместе с большей по размеру паровой турбиной.9. Minimizing the need for compression of fuel gas through the use of fewer gas turbines and gas turbines with lower fuel gas pressure in the cycle, together with a larger steam turbine.

10. Повышение надежности путем упрощения проекта электростанции.10. Improving reliability by simplifying the design of a power plant.

11. Уменьшение потребления воздуха за счет использования меньшего количества газовых турбин.11. Reduced air consumption by using fewer gas turbines.

12. Сокращение выбросов загрязняющих веществ, особенно NOX, за счет использования газовых турбин в стабильном, почти безотходном режиме и применения более чистых газовых турбин и в меньшем количестве.12. Reducing emissions of pollutants, especially NOX, through the use of gas turbines in a stable, almost waste-free mode and the use of cleaner gas turbines and in smaller quantities.

13. Сокращение до минимума сброса конденсата и иных выбросов в воду за счет использования более производительных циклов, требующих меньшего количество пара на киловатт выработанной электроэнергии.13. Reducing to a minimum discharge of condensate and other emissions into the water through the use of more productive cycles that require less steam per kilowatt of electricity generated.

14. Использование контрольных механизмов в целях повышения производительности, надежности и регенерации тепла.14. The use of control mechanisms to increase productivity, reliability and heat recovery.

15. Упрощение работы путем использования газовых турбин в режиме полной нагрузки в широком диапазоне функционирования (общей выработки электростанции при комбинировании циклов) и сокращение уровней давления ПГРТ до единственного.15. Simplification of work through the use of gas turbines at full load over a wide range of operation (the total generation of the power plant when combining cycles) and reducing the pressure levels of PGRT to the only one.

16. Максимальное увеличение эффективности работы паровой турбины за счет увеличения объемных расходов потока, особенно в отсеках высокого и промежуточного давления.16. The maximum increase in the efficiency of the steam turbine by increasing the volumetric flow rate, especially in the compartments of high and intermediate pressure.

17. Экономный расход площадей и земельных участков при использовании меньшего оборудования и проектов с более высокой плотностью электроэнергии.17. The economical consumption of space and land using smaller equipment and projects with a higher density of electricity.

18. Уменьшение шума, размеров и требований к пространству при использовании меньшего числа единиц оборудования.18. Reduce noise, size and space requirements by using fewer pieces of equipment.

19. Сохранение отвода тепла на минимальном уровне за счет применения циклов высокой эффективности с меньшим отводом тепла на киловатт выработанной электроэнергии.19. Keeping heat removal to a minimum due to the use of high efficiency cycles with less heat removal per kilowatt of generated electricity.

20. Создание проекта, основанного на принципе комбинирования циклов, более совместимого с существующими паровыми электростанциями, позволяющего более компактно и эффективно переводить существующие электростанции на использование технологий комбинирования циклов более высокой производительности.20. Creation of a project based on the principle of combination of cycles, more compatible with existing steam power plants, allowing more compact and efficient transfer of existing power plants to the use of combination technology of higher productivity cycles.

21. Минимальное сокращение потребления воздуха, выбросов загрязняющих веществ, а также выбросов тепла в атмосферу, но обеспечение этих преимуществ с меньшими затратами, чем традиционные комбинированные циклы.21. Minimal reduction of air consumption, pollutant emissions, as well as heat emissions into the atmosphere, but providing these benefits at a lower cost than traditional combined cycles.

22. Сокращение влияния спада рабочих характеристик газовой турбины путем использования электростанции с комбинированием циклов, которая меньше зависит от газовых турбин и их эффективности.22. Reducing the impact of a decline in gas turbine performance by using a combined cycle power plant that is less dependent on gas turbines and their efficiency.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Для более полного понимания преимуществ изобретения приводятся следующие чертежи и их описание:For a more complete understanding of the advantages of the invention, the following drawings and their description are provided:

На Фиг.1 показан базовый термодинамический цикл Ренкайна.Figure 1 shows the basic thermodynamic cycle of Rankine.

На Фиг.2 изображена система производства электроэнергии в соответствии с существующим уровнем техники, использующая базовый цикл Ренкайна.Figure 2 shows a system for the production of electricity in accordance with the current level of technology, using the basic Renkine cycle.

На Фиг.3 изображена схема цикла Ренкайна, включая цикл перегрева и выделения пара для нагревания питающей воды, согласно использованию в случае традиционной электростанции существующего уровня техники.Figure 3 shows a diagram of the Rankine cycle, including a cycle of overheating and steam generation for heating the feed water, according to the use of the prior art in the case of a conventional power plant.

На Фиг.4 изображена сравнительная таблица производительности базового цикла Ренкайна, а именно цикла Ренкайна с различными вариантами усовершенствования для повышения производительности.Figure 4 shows a comparative table of the performance of the base Rankine cycle, namely, the Rankine cycle with various improvement options to increase productivity.

На Фиг.5 изображена схема основных принципов комбинирования циклов.Figure 5 shows a diagram of the basic principles of combining cycles.

На Фиг.6 показана схема предшествующего уровня техники для электростанции с комбинированием циклов, использующей газовые турбины, ПГРТ и паровые турбины.Figure 6 shows a prior art diagram for a combined cycle power plant using gas turbines, PGRT and steam turbines.

На Фиг.7 изображена кривая потребления тепла по отношению к генератору выработки энергии для промышленной стандартной газовой турбины компании “General Electric” модели PG7241.Fig. 7 shows a heat consumption curve with respect to an energy generation generator for a General Electric industrial model PG7241 standard gas turbine.

На Фиг.8 показаны зависимости для работы при частичной нагрузке электростанции с комбинированием циклов компании “General Electric” с двумя газовыми турбинами GE C207 при помощи графиков, соответствующих рабочим характеристикам для одной или двух газовых турбин.Fig. 8 shows the dependences for operating at partial load of a power plant with combined cycles of the General Electric company with two GE C207 gas turbines using graphs corresponding to the operating characteristics for one or two gas turbines.

На Фиг.9 изображена общая схема установки в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения применительно к его использованию в электростанции.Figure 9 shows a General diagram of the installation in accordance with one embodiment of the present invention with respect to its use in a power plant.

На Фиг.10 приведена таблица сравнительных данных производительности в соответствии с настоящим изобретением и предшествующим уровнем техники.Figure 10 shows a table of comparative performance data in accordance with the present invention and the prior art.

На Фиг.11 изображен график типовой зависимости энтальпии пара от температуры при давлении 1800 фунтов на квадратный дюйм, исходя из допущения, что вода является движущей жидкостью.Figure 11 shows a graph of a typical temperature dependence of vapor enthalpy at a pressure of 1800 pounds per square inch, based on the assumption that water is a moving fluid.

На Фиг.12 изображен график типовой зависимости энтальпии выхлопных газов газовой турбины от температуры выхлопных газов.On Fig shows a graph of a typical dependence of the enthalpy of the exhaust gases of a gas turbine on the temperature of the exhaust gases.

На Фиг.13 изображена блок-схема, иллюстрирующая общие принципы данного изобретения в их применении в установках с комбинированием циклов.13 is a block diagram illustrating the general principles of the present invention in their use in combined cycle plants.

На Фиг.14 изображен график типовой зависимости заданной диаграммы средней разности температур от интенсивности потока жидкости для вариантов со сверхперегревом и перегревом.On Fig shows a graph of a typical dependence of a given diagram of the average temperature difference from the intensity of the fluid flow for options with superheating and overheating.

На Фиг.15 показана схема, иллюстрирующая модель реализации электростанции с комбинированием циклов с использованием преимуществ настоящего изобретения.On Fig shows a diagram illustrating a model implementation of a power plant with combined cycles using the advantages of the present invention.

На Фиг.16 изображен график примерной системы контроля, которая может быть использована для контроля над одним или более ПГРТ относительно уроков настоящего изобретения.On Fig shows a graph of an exemplary control system that can be used to control one or more PGRT relative to the lessons of the present invention.

На Фиг.17 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для управления всей системой электростанции в соответствии с настоящим изобретением.On Fig shows a block diagram of a General model of the organization of the control system, which can be used to control the entire system of the power plant in accordance with the present invention.

На Фиг.18 показана блок-схема модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного воздействия на увеличение выработки электростанции в соответствии с настоящим изобретением.On Fig shows a block diagram of a model organization of a control system that can be used to control and directly influence the increase in power generation in accordance with the present invention.

На Фиг.19 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного воздействия на уменьшение выработки электростанции в соответствии с настоящим изобретением.On Fig shows a block diagram of a General model of the organization of the control system, which can be used to control and directly affect the reduction of power generation in accordance with the present invention.

На Фиг.20 показана блок-схема общей модели организации системы контроля, которая может быть использована для контроля и непосредственного регулирования переходной мощности в соответствии с настоящим изобретением.On Fig shows a block diagram of a General model of the organization of the control system, which can be used to control and directly regulate the transient power in accordance with the present invention.

На Фиг.21 изображены графически источники поступления энергии, убытки и производительность, которые учтены в совокупном анализе потока энергии.On Fig graphically depicted sources of energy, losses and performance, which are taken into account in the total analysis of the energy flow.

На Фиг.22 показана типовая конфигурация электростанции с комбинированием циклов модели GE 207FA.On Fig shows a typical configuration of a power plant with combined cycles of the model GE 207FA.

На Фиг.23 изображены таблицы эксплуатационных данных для типовой электростанции с комбинированием циклов модели GE 207FA 521 МВт, с учетом типового многофункционального профиля данных тестирования.23 shows operational data tables for a typical power plant with combined cycles of the GE 207FA 521 MW model, taking into account a typical multifunctional test data profile.

На Фиг.24 изображена типовая конфигурация электростанции с комбинированием циклов, модель Westinghouse 2Х1 501 G 715 МВт.On Fig shows a typical configuration of a power plant with combined cycles, model Westinghouse 2X1 501 G 715 MW.

На Фиг.25 изображены таблицы эксплуатационных данных для типовой электростанции с комбинированием циклов модели Westinghouse 2Х1 501G 715 МВт с учетом типового многофункционального профиля данных тестирования.On Fig shows the table of operational data for a typical power plant with a combination of cycles of the model Westinghouse 2X1 501G 715 MW, taking into account a typical multifunctional profile of test data.

На Фиг.26 изображена типовая электростанция с комбинированием циклов мощностью 725 МВт, описанная в предпочтительном варианте настоящего изобретения.FIG. 26 shows a typical 725 MW combined cycle power plant described in a preferred embodiment of the present invention.

На Фиг.27 изображены таблицы эксплуатационных данных для варианта системы мощностью 725 МВт в соответствии с настоящим изобретением, с использованием экранированного ПГРТ, на основе типового многофункционального профиля данных тестирования.On Fig depicts the table of operational data for a variant of the system with a capacity of 725 MW in accordance with the present invention, using a shielded PGRT, based on a typical multifunctional profile of test data.

На Фиг.28 изображен график относительных отличий работы при частичной нагрузке при сравнении традиционной системы с комбинированием циклов электростанции и системы по настоящему изобретению.On Fig depicts a graph of the relative differences in operation under partial load when comparing a conventional system with a combination of cycles of a power plant and the system of the present invention.

На Фиг.29 графически показаны данные по нескольким моделям электростанции и их номинальные энергетические характеристики, в соответствии с настоящим изобретением.On Fig graphically shows the data on several models of the power plant and their nominal energy characteristics, in accordance with the present invention.

На Фиг.30 изображен график базового уровня производительности парового цикла, необходимого для модели электростанции, использующей две номинальных промышленных газовых турбины компании “General Electric”, модель PG7241 (FA), для соответствия уровням производительности предшествующего уровня техники по параметрам энергии.30 is a graph of a baseline steam cycle productivity level required for a power plant model using two General Electric rated industrial gas turbines, model PG7241 (FA), to match prior art performance levels with respect to energy parameters.

На Фиг.31А изображена диаграмма типичной кривой почасовой нагрузки региональной системы (по данным публикации “Цены на электричество в условиях конкуренции: предельно высокая себестоимость услуг по выработке электроэнергии и финансовый статус коммунальных служб, занимающихся электроснабжением” ("Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities" (DOE отчет номер DOE/EIA-0614)));On Figa shows a diagram of a typical hourly load curve of the regional system (according to the publication "Electricity Prices in Competitive Conditions: Extremely High Cost of Electricity Generation Services and the Financial Status of Electricity Utilities" ("Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities "(DOE report number DOE / EIA-0614)));

На Фиг.31В изображена диаграмма типичной кривой продолжительности нагрузки, отражающая общее долгосрочное использование электростанции с расчетной производительностью (информация получена от компании Duke Energy Power Services, Inc.).FIG. 31B is a diagram of a typical load duration curve showing the total long-term use of a power plant with rated capacity (information from Duke Energy Power Services, Inc.).

На Фиг.32 показаны типичные установившиеся данные по еженедельной диаграмме нагрузки на основе информации Фиг.31А.On Fig shows a typical steady-state data on a weekly load chart based on the information Figa.

На Фиг.33 графически показана производительность при частичной нагрузке нескольких моделей электростанций, использующих настоящее изобретение, а также несколько примеров - с использованием существующего уровня техники.On Fig graphically shows the performance under partial load of several models of power plants using the present invention, as well as several examples using the existing level of technology.

На Фиг.34 в форме таблицы приведены сравнительные экономические данные для модели электростанции, использующей настоящее изобретение, для электростанции с комбинированием циклов модели GE C207FA и модели Westinghouse 2Х1 501G, оба примера взяты из предшествующего уровня техники.Fig. 34 is a tabular view showing comparative economic data for a power plant model using the present invention for a power plant with combined cycles of the GE C207FA model and Westinghouse 2X1 501G model, both examples are from the prior art.

На Фиг.35 изображена последовательность операций типичного процесса тепловой балансировки для модели электростанции сверхкритического режима в соответствии с настоящим изобретением согласно Фиг.26, 27, 28, 33 и 34.On Fig depicts the sequence of operations of a typical process of thermal balancing for a model of a power plant supercritical regime in accordance with the present invention according to Fig.26, 27, 28, 33 and 34.

На Фиг.36, 37 и 38 приведены таблицы некоторых производственных данных, относящихся к Фиг.35.On Fig, 37 and 38 are tables of some production data related to Fig. 35.

На Фиг.39 изображена последовательность операций типичного процесса тепловой балансировки для модели электростанции ультрасверхкритического режима в соответствии с настоящим изобретением согласно Фиг.33.FIG. 39 is a flowchart of an exemplary heat balancing process for an ultra-supercritical mode power plant model in accordance with the present invention of FIG. 33.

На Фиг.40, 41 и 42 приведены таблицы некоторых производственных данных, относящихся к Фиг.39.On Fig, 41 and 42 are tables of some production data related to Fig. 39.

На Фиг.43 графически изображен метод контроля нагрузки электростанции, который может использоваться при комбинировании циклов согласно настоящему изобретению с применением двух или более газовых турбины.FIG. 43 is a graphical depiction of a power plant load control method that can be used in combining cycles of the present invention using two or more gas turbines.

На Фиг.44 приведена таблица сравнительных данных переналадки существующей паровой электростанции на технологию применения комбинирования циклов при использовании предпочтительного варианта настоящего изобретения и предшествующего уровня техники.On Fig shows a table of comparative data for the conversion of an existing steam power plant to the technology of combining cycles using the preferred embodiment of the present invention and the prior art.

На Фиг.45 изображена схема предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, использующей смешанные виды топлива и котел, работающий на горючем топливе.On Fig shows a diagram of a preferred embodiment of a power plant with combined cycles using mixed fuels and a boiler that runs on combustible fuel.

На Фиг.46 изображена схема предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, использующей смешанные виды топлива, атомный реактор, геотермический генератор пара или иной парообразующий источник энергии.Fig. 46 is a diagram of a preferred embodiment of a combined cycle power plant using mixed fuels, a nuclear reactor, a geothermal steam generator, or other vapor generating energy source.

На Фиг.47 приведена модель проектировки/финансирования технологического процесса для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.On Fig shows a model of the design / financing of the process to determine the preferred and / or optimal variant of the invention for a particular power plant.

На Фиг.48 приведена модель проектировки/финансирования технологического процесса для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.On Fig shows a model of the design / financing of the process to determine the preferred and / or optimal variant of the invention for a particular power plant.

На Фиг.49 приведена модель процесса переналадки электростанции для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции.On Fig shows a model of the process of readjustment of the power plant to determine the preferred and / or optimal variant of the invention for a particular power plant.

На Фиг.50 приведена модель проведения расчетов по топливу для определения предпочтительного и/или оптимального варианта изобретения для конкретной электростанции с использованием смешанных видов топлива.On Fig shows a model of calculations for fuel to determine the preferred and / or optimal variant of the invention for a particular power plant using mixed fuels.

На Фиг.51 показана паровая турбина компании “General Electric” с тремя блоками и четырьмя потоками пара с комбинированным отсеком высокого/промежуточного давления и двумя отсеками низкого давления с двойным потоком.On Fig shows a General Electric steam turbine with three blocks and four steam streams with a combined high / intermediate pressure compartment and two dual-flow low pressure compartments.

РЕЖИМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯMODES FOR CARRYING OUT THE INVENTION

Раскрытие информации о примерах использования изобретенияDisclosure of Examples of Use of the Invention

Несмотря на то, что настоящее изобретение может использоваться в различных формах, в настоящей заявке приведены чертежи и будут далее описаны различные подробные варианты изобретения с учетом того, что раскрытая информация должна рассматриваться как примерные принципы изобретения и что представленная информация никоим образом не ограничивает широту использования изобретения теми вариантами, которые продемонстрированы в настоящем документе.Although the present invention can be used in various forms, the drawings are provided in this application and various detailed embodiments of the invention will be further described, given that the disclosed information is to be regarded as exemplary principles of the invention and that the information provided does not in any way limit the breadth of use of the invention those options that are shown in this document.

Диаграммы и графикиCharts and graphs

Необходимо особо отметить в контексте описаний, приведенных в настоящем документе, что схемы, графики, диаграммы и тому подобное могут включать компоненты и/или этапы, которые никоим образом не ограничивают общее направление достижений настоящего изобретения. Также компоненты и/или этапы могут быть удалены и/или смещены в другое место в последующих описаниях без каких-либо потерь в общей направленности изобретения. Такой аспект является особенно важным касательно моделей технологических схем, в которых достижения настоящего изобретения могут использоваться специалистом по компьютерной технике для создания систем контроля, с функциональной точки зрения являющихся аналогичными, несмотря на некоторые замены или изменения в раскрытии этапов или процессов, и обеспечивающих те же результаты, что и при использовании преимуществ настоящего изобретения.It should be particularly noted in the context of the descriptions provided herein that circuits, graphs, diagrams, and the like may include components and / or steps that in no way limit the overall direction of the achievements of the present invention. Also, the components and / or steps can be removed and / or shifted elsewhere in the following descriptions without any loss in the general focus of the invention. This aspect is especially important with respect to process flow models in which the achievements of the present invention can be used by a computer technician to create control systems that are functionally similar, despite some replacements or changes in the disclosure of steps or processes and providing the same results. as using the advantages of the present invention.

ОборудованиеEquipment

В ходе обсуждения изобретения на протяжении всего настоящего документа будет упоминаться оборудование, произведенное компаниями “General Electric”, “Westinghouse” и иных производителей. Особенно часто упоминается модель электростанции C207FA компании “General Electric”, состоящая из газовых турбин модели PG7241FA компании “General Electric”, а также схожее оборудования компании “Westinghouse” или иных производителей. Такие упоминания являются лишь моделями и представлены читателю, имеющему определенные знания в данном секторе промышленности, для понимания выводов настоящего изобретения.In the discussion of the invention throughout this document, equipment manufactured by General Electric, Westinghouse, and other manufacturers will be mentioned. Particularly often mentioned is the General Electric model C207FA of the power plant, consisting of gas turbines of the General Electric model PG7241FA, as well as similar equipment from Westinghouse or other manufacturers. Such references are merely models and are presented to a reader having certain knowledge in a given industry sector for understanding the conclusions of the present invention.

В настоящем документе была сделана попытка с более практической стороны описать преимущества настоящего изобретения с точки зрения оборудования, знакомого специалистам данной отрасли и использующегося в энергетической промышленности. Ни одно из положений настоящего документа не может толковаться как ограничивающее объем настоящего изобретения до использования какой-либо определенной модели оборудования или ее производителя. Напротив, что касается оборудования, к которому может быть применимо настоящее изобретение, данный документ должен толковаться как можно шире.In this document, an attempt was made from a more practical side to describe the advantages of the present invention in terms of equipment familiar to specialists in this field and used in the energy industry. None of the provisions of this document can be construed as limiting the scope of the present invention before using any particular model of equipment or its manufacturer. On the contrary, with regard to equipment to which the present invention may be applicable, this document should be construed as broadly as possible.

ОБЗОРOVERVIEW

Пар использовался для производства энергии в течение десятков лет с момента появления паровых локомотивов, которые сжигали твердое топливо, такое как древесину или уголь для производства энергии. До и в течение 1980-х годов паровые электростанции все еще производили основную долю электроэнергии в США, используя уголь, нефть или атомное топливо.Steam has been used to produce energy for decades since the advent of steam locomotives that burned solid fuels such as wood or coal for energy. Before and during the 1980s, steam power plants still produced the bulk of the electricity in the United States using coal, oil, or nuclear fuel.

Однако к 1980-м годам были разработаны и построены меньшие по размеру электростанции с параллельным производством энергии. Такие электростанции использовали газовые турбины в качестве своего основного двигателя с ПГРТ, подсоединенного к выхлопам газовой турбины для регенерации отходов тепла (температура выхлопных газов достигала обычно 900°F до 1200°F) и преобразования выхлопов в пар. Такой пар затем использовался для различных целей, районного обогрева, обработки пара или вырабатывания дополнительной энергии в паровой турбине. Такая конфигурация электростанции, газовой турбины, ПГРТ и паровой турбины стала известна в качестве конструкции с комбинированием циклов, а благодаря своей высокой производительности, низкой себестоимости и легкости конструкции стала предпочтительным вариантом электростанции для новых независимых производителей энергии.However, by the 1980s, smaller power plants with parallel energy production had been developed and built. Such power plants used gas turbines as their main engine with PGRT connected to the exhaust gas turbine to recover heat waste (the temperature of the exhaust gas usually reached 900 ° F to 1200 ° F) and convert the exhaust into steam. Such steam was then used for various purposes, district heating, steam treatment or the generation of additional energy in a steam turbine. This configuration of a power plant, gas turbine, PGRT and steam turbine has become known as a combined cycle design, and due to its high productivity, low cost and light construction, it has become the preferred power plant option for new independent energy producers.

Однако в ходе эволюции такая электростанция с комбинированием циклов стала электростанцией, которая использует газовую турбину в качестве основного двигателя, а паровая турбина является второстепенным двигателем. Изучение стандартных блоков с комбинированием циклов, предлагаемых производителями газовых турбин сегодня, подтвердит такой вывод, так как в большинстве электростанций с комбинированием циклов в рамках предшествующего уровня техники газовые турбины вырабатывают около двух третей всей выработанной энергии, а паровые турбины вырабатывают около одной трети. Обзор предложений производителей стандартных блоков с комбинированием циклов проиллюстрирует такую тенденцию. В брошюре по турбомашиностроению за 1997 год (TURBOMACHINERY HANDBOOK, (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) представлены таблицы стандартных электростанций с комбинированием циклов, предлагаемых различными производителями, включая ABB, General Electric и Westinghouse. Практически в каждом случае паровые турбины вырабатывают от 40 до 60% того количества энергии, которое вырабатывается газовой турбиной. Информационная брошюра компании “General Electric” за 1996 год “Рабочие характеристики сверхмощных газовых турбин компании “General Electric” автора Фрэнка Дж. Брукса (General Electric informative document GER-3567G, 1996, "GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics", by Frank J.Brooks) говорит о производительности газовых турбин, соответствующих электростанциям с комбинированием циклов.However, during the evolution of such a combined cycle power plant, it became a power plant that uses a gas turbine as the main engine, and the steam turbine is a secondary engine. A study of building blocks with combined cycles offered by gas turbine manufacturers today will confirm this conclusion, since in most power plants with combined cycles in the prior art, gas turbines generate about two-thirds of all generated energy, and steam turbines produce about one-third. A review of the proposals of manufacturers of building blocks with combined cycles illustrates this trend. The 1997 Turbomachine Brochure (TURBOMACHINERY HANDBOOK, (USPS 871-500, ISSN 0149-4147)) lists standard power plants with combined cycles offered by various manufacturers, including ABB, General Electric and Westinghouse. In almost every case, steam turbines generate between 40 and 60% of the amount of energy that is generated by a gas turbine. 1996 General Electric Information Brochure, General Electric informative document GER-3567G, 1996, GE Heavy-Duty Gas Turbine Performance Characteristics, by Frank J. Brooks) talks about the performance of gas turbines corresponding to combined cycle power plants.

Несколько предпочтительных вариантов настоящего изобретения отдают должное блоку с комбинированием циклов за его высокий уровень производительности, низкую себестоимость и простоту конфигурации. Однако настоящее изобретение несколько иначе рассматривает относительный размер отдельных двигателей. Хотя современные газовые турбины имеют производительность на уровне от 30 до 40%, для них требуется использование ПГРТ и паровой турбины с целью достижения производительности комбинирования циклов от 50 до 60%. Кроме того, для эффективной регенерации тепла выхлопных газов такие ПГРТ обычно имеют три уровня давления пара: высокое, промежуточное и низкое. Использование пара низкого и среднего давления приводит к общей производительности парового цикла только на уровне от 34 до 36%.Several preferred embodiments of the present invention pay tribute to the combined cycle unit for its high level of performance, low cost and ease of configuration. However, the present invention provides a slightly different view of the relative size of individual engines. Although modern gas turbines have a capacity of 30 to 40%, they require the use of PGRT and a steam turbine in order to achieve a combined cycle performance of 50 to 60%. In addition, for efficient heat recovery of exhaust gases, such HRSGs usually have three levels of vapor pressure: high, intermediate, and low. The use of low and medium pressure steam leads to a total steam cycle productivity of only 34 to 36%.

Производительность парового цикла современных крупных электростанций, однако, составляет от 45 до 50%. Для достижения такого уровня использование пара низкого давления, как для случая обычного комбинирования циклов, является неприемлемым. Поэтому несколько вариантов настоящего изобретения описывают метод, который использует только пар высокого давления для достижения высокой производительности парового цикла в конфигурации с комбинированием циклов, а также регенерирует столько тепла выхлопных газов газовой турбины, сколько при высокой эффективности технологии с комбинированием циклов предшествующего уровня техники.The steam cycle productivity of modern large power plants, however, ranges from 45 to 50%. To achieve this level, the use of low pressure steam, as in the case of conventional combination cycles, is unacceptable. Therefore, several embodiments of the present invention describe a method that uses only high-pressure steam to achieve high steam cycle productivity in a combined cycle configuration, and also regenerates as much heat from the exhaust gas of a gas turbine as with the prior art combined cycle technology.

Таким путем электростанция с комбинированием циклов новой технологии отходит от типичного варианта предшествующего уровня техники, где газовая турбина была основным (большим по величине) двигателем, а коэффициент соотношения паровой/ газовой турбин составлял приблизительно 1:2. Отдается предпочтение варианту, в котором паровая турбина обычно является основным (большим по величине) двигателем, а соотношение паровой/газовой турбин обычно может быть выбрано в диапазоне от 0,75:1 до 2,25:1 или более. Этот коэффициент легко изменяется за счет изменения конструкции паровой турбины, параметров дополнительного горения и парового цикла.In this way, a power plant with a combination of new technology cycles departs from a typical prior art version, where the gas turbine was the main (largest) engine and the steam / gas turbine ratio was approximately 1: 2. A preference is proposed for the option in which the steam turbine is usually the main (larger) engine, and the ratio of steam / gas turbines can usually be selected in the range from 0.75: 1 to 2.25: 1 or more. This coefficient is easily changed due to changes in the design of the steam turbine, additional combustion parameters and the steam cycle.

Во время работы любой электростанции рабочие должны модулировать выработку энергии электростанцией по нагрузке на систему (потребление энергии всеми пользователями системы энергоснабжения). Вместе с изменениями нагрузки системы также должно меняться количество энергии произведенной всеми электростанциями, подсоединенными к данной сети, для удовлетворения таким изменениям, иначе скорость оборудования изменится, а полученная электроэнергия не будет характеризоваться частотой 60 Гц (60 циклов в секунду для электростанций США и т.д.). Это серьезно повлияет на оборудование, которым пользуются конечные потребители электроэнергии (электрические часы не будут показывать точное время, электрические двигатели не будут работать с необходимой скоростью и т.д.). Поэтому работники коммунальных служб и электростанции отвечают за поддержание постоянной частоты или скорости на своем оборудовании. Для достижения данной цели они должны постоянно изменять количество выработанной энергии для соответствия данной системе. Необходимо отметить, что в европейских и других странах номинальной частотой является 50 Гц, а в США и других странах западного полушария, например, в Канаде, -60 Гц.During the operation of any power plant, workers must modulate power generation by the power plant by the load on the system (energy consumption by all users of the power supply system). Along with changes in the system load, the amount of energy produced by all the power plants connected to this network must also change to meet such changes, otherwise the speed of the equipment will change, and the received electricity will not have a frequency of 60 Hz (60 cycles per second for US power plants, etc. .). This will seriously affect the equipment used by the end users of electricity (electric clocks will not show the exact time, electric motors will not work at the required speed, etc.). Therefore, utility workers and power plants are responsible for maintaining a constant frequency or speed on their equipment. To achieve this goal, they must constantly change the amount of energy generated to match this system. It should be noted that in European and other countries, the nominal frequency is 50 Hz, and in the USA and other countries of the Western hemisphere, for example, in Canada, -60 Hz.

В жаркие летние и очень холодные зимние дни нагрузка системы почти достигает своего пика. Также в будние дни обычно с 16:00 до 20:00, система достигает своего дневного пика. Однако ночью и в выходные дни нагрузка системы может составлять в среднем 60% от недельного пика. В связи с такими изменениями динамики нагрузки системы для электростанций с распределением электроэнергии (контролируемой коммунальными службами на соответствие нагрузкам системы) необычной является работа в течение длительного времени с номинальной выработкой или при постоянной нагрузке. Наоборот, типична работа с высоким уровнем нагрузки в часы пик на неделе (которая не обязательно соответствует номинальной) и с относительно низкой нагрузкой (приблизительно 60% выработки) в ночные периоды и в выходные дни. Более полная информация представлена на Фиг.31А, 31В и 32 для более полной информации о типичном уровне нагрузки.On hot summer and very cold winter days, the system load almost reaches its peak. Also on weekdays, usually from 16:00 to 20:00, the system reaches its daily peak. However, at night and on weekends, the system load can average 60% of the weekly peak. In connection with such changes in the dynamics of the load of the system for power plants with electricity distribution (controlled by utilities to match the system loads), it is unusual to work for a long time with a nominal output or at a constant load. On the contrary, it is typical to work with a high level of work during peak hours during the week (which does not necessarily correspond to the nominal load) and with a relatively low load (approximately 60% of output) during night periods and weekends. More complete information is presented in FIGS. 31A, 31B, and 32 for more complete information about a typical load level.

Таким образом, чтобы быть эффективной, электростанция должна обладать гибкостью для постоянных колебаний нагрузки от 50 до 100%. Традиционные электростанции с комбинированием циклов являются эффективными, но им приходится отказываться от работы с полной производительностью при частичной нагрузке. Это особенно касается электростанций, где газовые турбины являются основными двигателями. В таких электростанциях для уменьшения нагрузки с более высокого уровня более сложные газовые турбины с направляющими лопастями впускного отверстия уменьшают поток воздуха, проходящий сквозь двигатель, сокращая тем самым соотношение давлений. Кроме того, для дальнейшего уменьшения нагрузки у таких двигателей должна быть уменьшена температура у впускного отверстия турбины (также ее еще называют температурой горения) для работы с частичной нагрузкой. Уменьшение названных давления и температуры значительно сокращает эксплуатационную мощность двигателя газовой турбины.Thus, in order to be effective, the power plant must be flexible for constant fluctuations in load from 50 to 100%. Traditional power plants with combined cycles are efficient, but they have to refuse to work at full capacity under partial load. This is especially true for power plants where gas turbines are the main engines. In such power plants, to reduce the load from a higher level, more complex gas turbines with inlet guide vanes reduce the air flow passing through the engine, thereby reducing the pressure ratio. In addition, in order to further reduce the load on such engines, the temperature at the turbine inlet (also called the combustion temperature) must be reduced to work with a partial load. A decrease in the mentioned pressure and temperature significantly reduces the operational power of the gas turbine engine.

Для улучшения производительности электростанции с комбинированием циклов, сокращения себестоимости, уменьшения уровня выбросов и требований к объектам недвижимости, а также упрощения работы и технического обслуживания электростанции настоящее изобретение предлагает использовать ПГРТ, оптимизированный для постоянного дополнительного горения, которое использует испаритель (котел) с единым уровнем давления, равным или большим давлению у впускного отверстия паровой турбины, обычно применяемому в комбинированном цикле в рамках предшествующего уровня техники. Кроме того, в настоящем изобретении предлагается использовать некоторые возможности традиционных циклов Ренкайна, которые не используются в обычных комбинированных циклах.To improve the performance of a power plant with a combination of cycles, reduce costs, reduce emissions and property requirements, as well as simplify the operation and maintenance of a power plant, the present invention proposes the use of HRSG optimized for continuous additional combustion, which uses an evaporator (boiler) with a single pressure level equal to or greater than the pressure at the inlet of the steam turbine, usually used in the combined cycle in the framework of the previous prior art. In addition, the present invention proposes to use some of the capabilities of traditional Rankine cycles that are not used in conventional combined cycles.

Обратимся к Фиг.9, иллюстрирующей модель реализации нового цикла. Как и в случае типового блока с комбинированием циклов предшествующего уровня техники, новый вариант использует одну или более газовых турбин в качестве энергетического устройства верхнего цикла. Также, как и в случае типового блока с комбинированием циклов, известного из уровня техники, выхлопные газы газовой турбины поступают в ПГРТ. С этого момента, однако, цикл меняется по сравнению с традиционным использованием комбинирования циклов. ПГРТ с единым уровнем давления используется вместо ПГРТ с несколькими уровнями давления. Для увеличения эффективности цикла давление произведенного пара может быть значительно выше, чем обычное номинальное давление 1800 psia. Такое давление при желании может быть сверхкритическим (выше 3206 psia). Для простоты будут рассмотрены субкритические варианты (2400 psia) на конкретных примерах. Однако кривые эксплуатационных характеристик при сверхкритических условиях пара также будут рассмотрены.Turning to FIG. 9, illustrating a new cycle implementation model. As in the case of a typical unit with combining cycles of the prior art, the new version uses one or more gas turbines as an energy device of the upper cycle. Also, as in the case of a typical unit with a combination of cycles, known from the prior art, the exhaust gases of a gas turbine enter the PGRT. From now on, however, the cycle changes compared to the traditional use of combining cycles. HRSG with a single pressure level is used instead of HRSG with several pressure levels. To increase cycle efficiency, the pressure of the steam produced can be significantly higher than the typical pressure rating of 1800 psia. Such pressure may, if desired, be supercritical (above 3206 psia). For simplicity, subcritical options (2400 psia) will be considered with specific examples. However, performance curves under supercritical steam conditions will also be considered.

Анализ потока энергииEnergy flow analysis

Сначала будет правильно рассмотреть общий поток энергии в варианте применения традиционного комбинирования циклов. Простой энергетический анализ Фиг.21 показывает поток энергии в установке с комбинированием циклов, в то время как Фиг.10 определяет поток энергии для традиционной электростанции с комбинированием циклов на основе параметров существующего уровня техники (см. последующий раздел об оптимизации предпочтительного варианта цикла для уравнений, использованных для расчета параметров Фиг.10). Таблица Фиг.10 отражает эксплуатационные данные газовой турбины модели PG7241 (FA) компании “General Electric” при условиях, соответствующих стандарту ISO при 3,0 дюймах водного столба перепада давления воздуха на вход и 10 дюймах водного столба перепада давления на выхлопе. Условия по стандарту ISO определены как 59°F и 14.696 psia для давления окружающей среды. Согласно Фиг.21, 32,31% (все процентные соотношения даны по основанию коэффициента высшей теплоотдачи HHV) начального топлива на входе в газовую турбину (2101) преобразуются в электричество, являющееся выработкой газовой турбины (2105). В зависимости от потока выхлопного газа газовой турбины и его энтальпии только 56,21% поступившей энергии поступают в ПГРТ (2103), что означает, что 11,46% теряются между газовой турбиной и ПГРТ (2102). Это, вероятно, потери генератора газовой турбины, потери тепла газовой турбины, вспомогательных устройств, работающих от оборудования, вспомогательных устройств, работающих от двигателя, потери от сопротивления воздуха и иные потери. В данном примере не добавляют энергии вспомогательного горения, поэтому такая энергия (2104) принимается за нулевое значение. Из оставшихся 56,21% входной энергии газовой турбины, отправленной на ПГРТ (2103), около 10,7% (что равняется (0,107) (0,5621) или 6,04% начальной энергии газовой турбины) теряются в выхлопной трубе (2107).First, it will be correct to consider the total energy flow in the application of the traditional combination of cycles. Simple energy analysis FIG. 21 shows the energy flow in a combined cycle plant, while FIG. 10 determines the energy flow for a conventional combined cycle power plant based on the parameters of the prior art (see the following section on optimizing the preferred cycle for equations, used to calculate the parameters of Fig.10). Table 10 shows the performance data of a General Electric PG7241 (FA) gas turbine under ISO standard conditions at 3.0 inches of water inlet differential pressure inlet and 10 inches water column differential pressure in the exhaust. ISO conditions are defined as 59 ° F and 14.696 psia for ambient pressure. According to Fig.21, 32.31% (all percentages are given on the basis of the coefficient of higher heat transfer HHV) of the initial fuel at the entrance to the gas turbine (2101) is converted into electricity, which is the generation of a gas turbine (2105). Depending on the exhaust gas flow of the gas turbine and its enthalpy, only 56.21% of the supplied energy is supplied to the HRSG (2103), which means that 11.46% are lost between the gas turbine and the HRSG (2102). This is probably the loss of a gas turbine generator, the heat loss of a gas turbine, auxiliary devices powered by equipment, auxiliary devices powered by an engine, losses from air resistance and other losses. In this example, auxiliary combustion energy is not added; therefore, such energy (2104) is taken as the zero value. Of the remaining 56.21% of the input energy of the gas turbine sent to PGRT (2103), about 10.7% (which equals (0.107) (0.5621) or 6.04% of the initial energy of the gas turbine) are lost in the exhaust pipe (2107 )

Из оставшейся энергии выхлопных газов газовой турбины для производства пара в ПГРТ 1% считается потерянным как тепло, ушедшее в окружающую среду 2106. В отношении энергии на входе газовой турбины это означает потери 6,04% входной энергии газовой турбины для потери на выхлопе и 0,50% входной энергии газовой турбины для потери тепла на ПГРТ. Таким образом, остаются 49,67% входной энергии газовой турбины как энергии, преобразованной в пар (2108), которая может быть преобразована в электричество паровой турбиной после регенерации.Of the remaining energy of the exhaust gases of a gas turbine for steam production in PGRT, 1% is considered lost as heat released into the environment in 2106. In terms of energy at the inlet of a gas turbine, this means a loss of 6.04% of the input energy of the gas turbine for exhaust loss and 0, 50% of the input energy of a gas turbine for heat loss in HRSG. Thus, 49.67% of the input energy of the gas turbine remains as energy converted to steam (2108), which can be converted into electricity by the steam turbine after regeneration.

Исходя из опубликованного тепловой мощности 6040 BTU/кВт·ч для электростанции GE STAG C207 FA компании “General Electric” с двумя GE Frame 7s и одной паровой турбиной компании “General Electric”, производительность электростанции, с учетом высшего коэффициента теплоотдачи природного газа (HHV), достигает 50,90%. Если газовая турбина преобразует 32,31% поступившего топлива (2101) в электричество, за вычетом этого, паровая турбина должна преобразовывать в электричество 18,59% поступившего топлива (2101). При производительности генератора паровой турбины 99% (или 1% потерь, (2110) и при вспомогательном факторе нагрузки 97,5%, а также 49,67% поступившего топлива (2108), используемого в цикле паровой турбины, базовая производительность парового цикла составляет 38,78% ((18,59/49,67)/(0,975) (0,99)). Это значительно меньше, чем 46,78% эффективной работы специальных паровых циклов электростанции, использующей только цикл Ренкайна (см. Фиг.4).Based on published thermal power of 6040 BTU / kWh for the General Electric GE STAG C207 FA power plant with two GE Frame 7s and one General Electric steam turbine, the power plant’s performance, taking into account the highest heat transfer coefficient of natural gas (HHV) , reaches 50.90%. If a gas turbine converts 32.31% of the supplied fuel (2101) into electricity, minus this, the steam turbine must convert 18.59% of the supplied fuel (2101) into electricity. With a steam turbine generator capacity of 99% (or 1% loss, (2110) and with an auxiliary load factor of 97.5%, as well as 49.67% of the received fuel (2108) used in the steam turbine cycle, the basic steam cycle capacity is 38 , 78% ((18.59 / 49.67) / (0.975) (0.99)). This is significantly less than 46.78% of the effective operation of special steam cycles of a power plant using only the Rankine cycle (see Figure 4 )

Такая производительность парового цикла подтверждается компанией “General Electric” в ее брошюре 1996 года “Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании "General Electric" Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака ("GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak). В ходе обсуждения дополнительного горения ПГРТ в данном документе говорится:This steam cycle performance is confirmed by General Electric in its 1996 brochure, Production Line and Combined Cycle Operations of General Electric, by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E Maslaka ("GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak). In the discussion of additional burning of HRSG, this document states:

“... приращение эффективности производства энергии путем использования дополнительного горения составляет 34-36% на основании коэффициента низшей теплоотдачи (LHV)”.“... the increment in energy production efficiency through the use of additional combustion is 34-36% based on the lowest heat transfer coefficient (LHV).”

Так как дополнительное сжигание топлива добавляет тепла только в паровой цикл, то производительность парового цикла электростанций с комбинированием циклов General Electric такая, как это указано выше.Since the additional combustion of fuel adds heat only to the steam cycle, the performance of the steam cycle of power plants with combined cycles of General Electric is the same as described above.

Производительность циклаCycle performance

Следующий вопрос, на который необходимо дать ответ, как достичь уровня производительности традиционного цикла паровой электростанции, используя паровую часть комбинированного цикла. Рассматривая Фиг.4, необходимо отметить, что перегрев помогает улучшить производительность парового цикла. Однако перегрев уже используется во многих комбинированных циклах с высокой производительностью, например, в электростанции C207FA STAG компании General Electric, которая использует две GE Frame 7s и одну паровую турбину компании General Electric для достижения уровня нагревания 6040 BTU/kWh (см. брошюру 1996 года "Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании "General Electric" Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака (GE informative document GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak). Поэтому иные усовершенствования производительности парового цикла связаны с использованием более высокого давления на впуске паровой турбины с более высокими объемными расходами потока (для более высокой производительности паровых турбин) и нагревания питающей воды. Такие усовершенствования применяются в нескольких вариантах настоящего изобретения.The next question that needs to be answered is how to achieve the level of productivity of a traditional cycle of a steam power plant using the steam part of the combined cycle. Referring to FIG. 4, it should be noted that overheating helps to improve steam cycle productivity. However, overheating is already used in many high-performance combined cycles, such as General Electric's C207FA STAG, which uses two GE Frame 7s and one General Electric steam turbine to achieve a heating level of 6040 BTU / kWh (see 1996 brochure " David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith and Chris E. Maslak's General Electric Production Line and Combined Cycle Operations (GE informative document GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance "by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) Therefore, other improvements in steam cycle performance are associated with the use of higher steam turbine inlet pressures with higher flow rates (for higher steam turbine performance) and heating feed water. in several embodiments of the present invention.

Большинство современных газовых турбин высокой производительности, например, модель PG7241 (FA) компании "General Electric", имеют температуру внутреннего горения около 2400°F. Такие газовые турбины проектируются для использования температуры выхлопных газов при работе со стандартной нагрузкой на уровне 1100°F. Для PG7241 (FA) в условиях, соответствующих стандарту ISO, скорректированных из расчета потерь 10,0 дюймов Н2О на выхлопе ПГРТ, температура выхлопов составляет 1123°F. Соответствующий поток выхлопного газа при этом составляет 3,552,000 lb/hr (фунт - сила в час). При входном давлении 1800 psia, входной температуре 1050°F, перегревом до 1050°F, выхлопе при 1,2 дюймов ртутного столба, данный паровой цикл потребовал бы 1642,4 BTU/lb входного тепла (см. Фиг.4, вариант 2). При входной энтальпии выхлопных газов порядка 412,6 BTU/lb и энтальпии газа на выходе 159,2 BTU/lb выхлопные газы несут энергию, достаточную для производства порядка 548,000 BTU/lb парового потока. Однако более детальное изучение выявляет изъян в этой логике. При 1800 фунтов на кв. дюйм пар кипит при 621°F. Поскольку теплота перетекает от более высоких к более низким температурам, целесообразным уровнем температуры для выхлопных газов, покидающих секцию испарителя, будет значение 650°F. Если в испаритель поставлялась вода, предварительно нагретая до энтальпии 648 BTU/lb (оптимальное допущение), энергия, необходимая для выработки пара, составляет 1642,4-648=994,4 BTU/lb.Most modern high-performance gas turbines, such as the General Electric model PG7241 (FA), have an internal combustion temperature of around 2400 ° F. Such gas turbines are designed to use exhaust gas temperatures when operating at a standard load of 1100 ° F. For PG7241 (FA) under ISO conditions, adjusted for the loss of 10.0 inches of H 2 O on the PGRT exhaust, the exhaust temperature is 1123 ° F. The corresponding exhaust gas flow is 3,552,000 lb / hr (pound - force per hour). With an inlet pressure of 1800 psia, an inlet temperature of 1050 ° F, overheating to 1050 ° F, exhaust at 1.2 inches of mercury, this steam cycle would require 1642.4 BTU / lb of input heat (see Figure 4, option 2) . With an input enthalpy of exhaust gases of the order of 412.6 BTU / lb and an enthalpy of gas at the outlet of 159.2 BTU / lb, the exhaust gases carry enough energy to produce about 548,000 BTU / lb of vapor flow. However, a more detailed study reveals a flaw in this logic. At 1800 pounds per square meter. an inch of steam boils at 621 ° F. As heat flows from higher to lower temperatures, a value of 650 ° F would be a suitable temperature level for exhaust gases leaving the evaporator section. If water was supplied to the evaporator, preheated to an enthalpy of 648 BTU / lb (optimal assumption), the energy required to generate steam is 1642.4-648 = 994.4 BTU / lb.

Однако при 650°F выхлопные газы обладают энтальпией 281,3 BTU/lb. Следовательно, выхлопные газы способны кипеть и перегреваться только 469,000 Ib/hr (3,552,000)(412,6-281,3)/994,4. Таким образом, вопрос превращается в проблему теплообмена, так как имеется недостаточно высокий уровень энергии (высокая температура) для выработки пара при более высоких давлениях.However, at 650 ° F, the exhaust gases have an enthalpy of 281.3 BTU / lb. Therefore, exhaust gases can boil and overheat only 469,000 Ib / hr (3,552,000) (412.6-281.3) / 994.4. Thus, the issue turns into a heat transfer problem, since there is an insufficiently high level of energy (high temperature) to generate steam at higher pressures.

Наоборот, от температуры выхлопных газов 650°F до выхлопов при 180°F существует достаточное количество энергии для предварительного нагревания воды в количестве 729,000 Ib/hr ((3,552,000)(281,3-159,2)/(648-53)) из горячего резервуара при 53 BTU/lb для энтальпии насыщения 648 BTU/lb. Поэтому использование для регенерации тепла котла с единым уровнем давления, как в уровне техники, неэффективно и либо вырабатывает избыток горячей воды, не применяемой или мало применяемой в производстве электроэнергии, или температура выхлопов ПГРТ значительно превосходит оптимальную. Этот результат повлек внедрение ПГРТ с несколькими уровнями давления в рамках уровня техники. Такой вариант использует энергию нагретой воды или выхлопных газов путем подачи в секцию(и) испарителя низкого давления в ПГРТ, который(е) преобразует(ют) не пригодные к употреблению горячую воду/выхлопные газы в пар низкого давления. Хотя в этом паре содержится меньше энергии и он обладает меньшей способностью производить энергию в паровой турбине, по сравнению с паром высокого давления, пар низкого давления вносит тем не менее свою долю в производство энергии паровой турбиной и используется для уменьшения потребления тепла электростанцией для выработки энергии (тепловая мощность).Conversely, from an exhaust gas temperature of 650 ° F to exhaust at 180 ° F, there is enough energy to preheat water in an amount of 729,000 Ib / hr ((3,552,000) (281,3-159,2) / (648-53)) of hot tank at 53 BTU / lb for a saturation enthalpy of 648 BTU / lb. Therefore, the use of a boiler with a uniform pressure level for heat recovery, as in the prior art, is inefficient and either generates an excess of hot water that is not used or has little use in the production of electricity, or the temperature of the exhaust gas heaters significantly exceeds the optimal one. This result entailed the introduction of HRSG with several levels of pressure in the framework of the prior art. This option uses the energy of the heated water or exhaust gases by supplying section (s) of the low pressure evaporator to the HRSG, which (e) converts unusable hot water / exhaust gases to low pressure steam. Although this steam contains less energy and is less able to produce energy in a steam turbine than high pressure steam, low pressure steam nevertheless contributes to the energy production of a steam turbine and is used to reduce heat consumption by a power plant to generate energy ( thermal power).

Дополнительное горениеAdditional burning

Еще одним способом устранения недостатков теплообмена ПГРТ с единым уровнем давления без необходимости увеличения числа уровней давления, как это известно из уровня техники, является способ добавления дополнительной энергии у впускного отверстия или около впускного отверстия ПГРТ за счет обеспечения дополнительного сжигания топлива (дополнительного горения). Однако выводы таковы, что дополнительное горение уменьшает общую тепловую производительность электростанции. Это отмечено Муром (Moore) в патенте 5649416, в котором говорится, чтоAnother way to eliminate the disadvantages of heat transfer of PGRT with a single pressure level without the need to increase the number of pressure levels, as is known from the prior art, is to add additional energy at the inlet or near the inlet of the PGRT by providing additional combustion of fuel (additional combustion). However, the findings are such that additional combustion reduces the overall thermal performance of the power plant. This is noted by Moore in Patent 5649416, which states that

“Дополнительное сжигание топлива ПГРТ может увеличить общее количество выработанной энергии и часть всей произведенной паровой турбиной энергии, но только при условии уменьшения совокупной тепловой производительности электростанции”.“Additional combustion of PGRT fuel can increase the total amount of energy generated and part of the total energy produced by a steam turbine, but only if the total thermal capacity of the power plant decreases.”

Кроме того, Райс (Rice) в патенте 5628183 заявляет, чтоIn addition, Rice (Rice) in patent 5628183 declares that

“Дополнительное горение перед ПГРТ не является правильным решением проблемы увеличения производительности цикла.”“Supplementary combustion before HRSG is not the right solution to the problem of increasing cycle throughput.”

Таким образом, согласно предшествующему уровню техники использование технологии дополнительного горения не является эффективным. Кроме того, Райс упоминает иные документы компаний General Electric и Westinghouse, подтверждающие ту же точку зрения. В информационной брошюре компании “General Electric” под названием "Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании "General Electric" Дэвида Л.Чейса и др. (GE informative literature, GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) говорится, чтоThus, according to the prior art, the use of additional combustion technology is not effective. In addition, Rice mentions other documents from General Electric and Westinghouse that support the same point. In the General Electric information brochure entitled "Production Line and Combined Cycle Operations of General Electric" by David L. Chase et al. (GE informative literature, GER-3574F (1996), entitled "GE Combined-Cycle Product Line and Performance "by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak) states that

“... производительность в производстве энергии путем использования дополнительного горения составляет 34-36% на основании коэффициента низшей теплоотдачи (LHV)”.“... productivity in energy production through the use of additional combustion is 34-36% based on the lowest heat transfer coefficient (LHV).”

Отсюда следует, что, хотя производительность комбинированного цикла составляет 56% в соответствии с коэффициентом низшей теплоотдачи (LHV) при полной нагрузке, произведенная за счет дополнительного горения энергия добавляется при производительности, равной или меньшей 36% коэффициента низшей теплоотдачи (LHV).It follows that, although the combined cycle capacity is 56% in accordance with the lowest heat transfer coefficient (LHV) at full load, the energy generated through additional combustion is added at a capacity equal to or less than 36% of the lower heat transfer coefficient (LHV).

В этом же документе есть информация, указывающая на дополнительное горение как на фактор, снижающий производительность (тепловую мощность), - это таблица 14, согласно которой дополнительное горение ПГРТ может увеличить мощность известных из уровня техники электростанций с комбинированием циклов на 28%, но только при увеличении совокупной тепловой мощности комбинированного цикла на 9% (для потребления конкретного топлива).In the same document there is information indicating additional combustion as a factor that reduces productivity (thermal power) - this is table 14, according to which additional burning of HRSG can increase the power of power plants known from the prior art with combined cycles by 28%, but only with an increase in the combined heat output of the combined cycle by 9% (for the consumption of a specific fuel).

Поток энергии в рамках настоящего изобретенияThe flow of energy in the framework of the present invention

Было бы правильным изучить заново совокупный поток энергии в комбинированном цикле, как это сделано в нескольких вариантах настоящего изобретения. Простой энергетический анализ на Фиг.21 показывает поток энергии в установке с комбинированием циклов, в то время как Фиг.10 определяет поток энергии для традиционной электростанции с комбинированием циклов на основе параметров существующего уровня техники (см. последующий раздел об оптимизации предпочтительного варианта цикла для уравнений, использованных для расчета параметров Фиг.10). Как уже говорилось, эксплуатационные данные газовой турбины приводятся для модели PG7241 (FA) компании “General Electric” при условиях, соответствующих стандарту ISO при 3,0 дюймах Н2О перепада давления воздуха на вход и 10 дюймах H2O перепада давления на выхлопе. Согласно Фиг.21, 32,31% (все процентные соотношения даны по основанию коэффициента высшей теплоотдачи HHV) начального топлива на входе в газовую турбину (2101) преобразуется в электричество, являющееся выработкой газовой турбины (2105). В зависимости от потока выхлопного газа газовой турбины и его энтальпии, только 56,21% поступившей энергии поступает в ПГРТ (2103), что означает, что 11,548% теряется между газовой турбиной и ПГРТ (2102). Из этих оставшихся 56,21% входной энергии газовой турбины, направленных в ПГРТ, около 10,7% теряется при проходе через выхлопную трубу (2107), оставляя 50,17% входной энергии газовой турбины для ПГРТ. В этой части нет изменений по сравнению с уровнем техники.It would be appropriate to re-examine the total energy flow in the combined cycle, as is done in several embodiments of the present invention. The simple energy analysis in FIG. 21 shows the energy flow in a combined cycle plant, while FIG. 10 determines the energy flow for a conventional combined cycle power plant based on the parameters of the prior art (see the next section on optimizing the preferred cycle for equations used to calculate the parameters of FIG. 10). As already mentioned, gas turbine operating data is provided for the General Electric model PG7241 (FA) under conditions meeting the ISO standard at 3.0 inches H 2 O inlet air pressure difference and 10 inches H 2 O exhaust pressure difference. As shown in FIG. 21, 32.31% (all percentages are based on the HHV coefficient of higher heat transfer) of the initial fuel at the inlet of the gas turbine (2101) is converted to electricity, which is the output of the gas turbine (2105). Depending on the exhaust gas flow of the gas turbine and its enthalpy, only 56.21% of the energy supplied is supplied to the HRSG (2103), which means that 11.548% is lost between the gas turbine and the HRSG (2102). Of these remaining 56.21% of the input energy of the gas turbine directed to PGRT, about 10.7% is lost when passing through the exhaust pipe (2107), leaving 50.17% of the input energy of the gas turbine for PGRT. In this part, there are no changes compared to the prior art.

Для обеспечения максимальной регенерации тепла ПГРТ некоторые варианты настоящего изобретения предполагают увеличение потока питающей воды через ПГРТ до тех пор, пока не будет достигнут достаточный баланс тепла, полученного от питающей воды, для соответствия потерям тепла выхлопных газов, необходимым для оптимальной регенерации тепла (то есть уменьшение температуры выхлопных газов ПГРТ приблизительно до 180°F). Во-вторых, путем добавления топлива к впускному отверстию ПГРТ (дополнительное горение) энергия выхлопных газов ПГРТ растет до тех пор, пока ее уровень не станет достаточным для преобразования большей части или всей питающей воды в пар. При использовании варианта 3 на Фиг.4 тепло необходимо добавлять при 1633 BTU/lb для создания необходимых характеристик пара. Так как тепловая производительность выхлопных газов составляет приблизительно 0,25 BTU/lb/°F, a тепловая производительность рециркулирующего конденсата составляет приблизительно 1,0, поток пара должен составлять примерно 0,25 lb пара на lb потока выхлопных газов. Для двух газовых турбин GE frame 7 это означает отдачу парового потока 1,776,000 Ib/hr.To ensure maximum heat recovery of the HRSG, some embodiments of the present invention contemplate increasing the flow of feed water through the HRSG until a sufficient balance of heat received from the feed water is achieved to match the heat loss of the exhaust gases necessary for optimal heat recovery (i.e., reducing PGRT exhaust gas temperatures up to approximately 180 ° F). Secondly, by adding fuel to the intake of the PGRT (additional combustion), the energy of the exhaust gases of the PGRT increases until its level becomes sufficient to convert most or all of the supply water to steam. When using option 3 in FIG. 4, heat must be added at 1633 BTU / lb to create the necessary steam characteristics. Since the thermal capacity of the exhaust gas is approximately 0.25 BTU / lb / ° F, and the thermal capacity of the recirculating condensate is approximately 1.0, the steam flow should be approximately 0.25 lb of steam per lb of exhaust gas flow. For two GE frame 7 gas turbines, this means a steam return of 1,776,000 Ib / hr.

Для образования такого количества пара необходимо 2894 MMBTU/hr (миллион BTU/hr). Учитывая 1% потерь в окружающую среду из ПГРТ (2106), потребность в поступлении тепла достигает 2923 MMBTU/hr. При потере выхлопов энергия ПГРТ, необходимая для производства этого пара составляет 87,99% от входной энергии газовой турбины. Поскольку входная энергия ПГРТ 2103 за вычетом потерь выхлопных газов ПГРТ (2107) составляет 50,17% (56,21-6,04) входной энергии газовой турбины (2101), необходимо добавление энергии, равной 31,78% входной энергии газовой турбины, как тепла от дополнительного сжигания топлива (2104), что составит в целом 81,95% входной энергии газовой турбины (2101). При условии корректировки в 1% потерь в окружающую среду (2106) 31,3% входной энергии газовой турбины (2101) преобразуется в пар. Такой пар на этом этапе готов для его преобразования в электричество в паровой турбине.2894 MMBTU / hr (one million BTU / hr) is needed to produce this amount of steam. Considering 1% of environmental losses from PGRT (2106), the heat demand reaches 2923 MMBTU / hr. When exhaust emissions are lost, the PGRT energy needed to produce this steam is 87.99% of the input energy of the gas turbine. Since the input energy of the PGRT 2103 minus the loss of exhaust gases of the PGRT (2107) is 50.17% (56.21-6.04) of the input energy of the gas turbine (2101), it is necessary to add energy equal to 31.78% of the input energy of the gas turbine, as heat from additional fuel combustion (2104), which will total 81.95% of the input energy of a gas turbine (2101). Subject to an adjustment of 1% to environmental losses (2106), 31.3% of the input energy of the gas turbine (2101) is converted to steam. Such steam at this stage is ready for its conversion into electricity in a steam turbine.

При использовании паровой турбины в соответствии с изобретением могут также применяться более высокое давление, перегрев и нагревание питающей воды. Кроме того, характеристики паровой турбины будут оцениваться как превышающие в 2,5 раза характеристики стандартной электростанции с комбинированием циклов. Это поможет конструктору использовать производительность парового цикла 44,38%, как показано на примере варианта 5 Фиг.4 (если следовать Муру, производительность паровой турбины увеличивается по мере увеличения параметров, но для целей демонстрации в данном примере была отставлена совокупная производительность 90%).When using a steam turbine in accordance with the invention, higher pressures, overheating and heating of the feed water can also be applied. In addition, the characteristics of a steam turbine will be evaluated as exceeding 2.5 times the characteristics of a standard power plant with combined cycles. This will help the designer to use the steam cycle productivity of 44.38%, as shown in the example of option 5 of Figure 4 (if we follow the Moore, the steam turbine productivity increases as the parameters increase, but for the purpose of demonstration, the total productivity of 90% was set aside in this example).

При использовании базового парового цикла производительностью в 44,39% 36,01% тепла преобразуется в механическую энергию (мощность по валу в л. с.), с учетом эффективности генератора 99% и множителя 97,5% для расчета побочной нагрузки. Выработанное паровой турбиной электричество составляет 34,76% от входной энергии газовой турбины (2101). При выработке газовой турбины (2105) равной 32,31% входной энергии газовой турбины (2101) выработка паровой турбины равняется 34,76% входной энергии газовой турбины (2101), а при добавочном использовании на входе дополнительного топлива в количестве 31,18% от входной энергии газовой турбины (2101) производительность комбинированного цикла составит (выработка, поделенная на входную энергию) ((0,3231+0,3476)/(1+0,3118)), то есть 50,90%. При использовании только двух нагревателей питающей воды в цикле производительность данной модели равняется производительности традиционной электростанции с комбинированием циклов компании General Electric. Для сверхкритических режимов совокупная производительность комбинированного цикла в некоторых случаях увеличивается до 51,75% и обеспечивает понижение коэффициента низшей теплоотдачи до 5942 BTU/kWh (БТЕ/кВт·ч) (см. Фиг.10 и 21).When using a basic steam cycle with a capacity of 44.39%, 36.01% of the heat is converted into mechanical energy (shaft power in hp), taking into account the generator efficiency of 99% and a factor of 97.5% for calculating the side load. The electricity generated by the steam turbine is 34.76% of the input energy of the gas turbine (2101). When generating a gas turbine (2105) equal to 32.31% of the input energy of a gas turbine (2101), the generation of a steam turbine is 34.76% of the input energy of a gas turbine (2101), and with the additional use of additional fuel at the input in the amount of 31.18% of the input energy of the gas turbine (2101), the combined cycle capacity will be (output divided by the input energy) ((0.3231 + 0.3476) / (1 + 0.3118)), i.e. 50.90%. When using only two feed water heaters in a cycle, the performance of this model is equal to the performance of a traditional power plant with combined cycles of General Electric. For supercritical modes, the combined capacity of the combined cycle in some cases increases to 51.75% and provides a decrease in the lowest heat transfer coefficient to 5942 BTU / kWh (BTU / kWh) (see Figures 10 and 21).

Таким образом, с точки зрения совокупного количества энергии очевидно, что дополнительное горение не является пагубным для общей производительности комбинированного цикла, ЕСЛИ добавлению дополнительной энергии в нижний цикл сопутствует соответствующее увеличение производительности нижнего цикла.Thus, from the point of view of the total amount of energy, it is obvious that additional combustion is not detrimental to the overall performance of the combined cycle, IF adding additional energy to the lower cycle is accompanied by a corresponding increase in the productivity of the lower cycle.

Оптимизация предпочтительного варианта циклаOptimization of the preferred cycle option

Как говорилось ранее, одним из основных усовершенствований для нескольких вариантов настоящего изобретения является гибкость системы. В случае дополнительного горения новая электростанция с комбинированием циклов может предусматривать наличие нескольких различных газовых турбин наряду с паровой турбиной, изготовленной в соответствии с требованиями заказчика для расширения диапазона эксплуатации новой электростанции с комбинированием циклов.As mentioned earlier, one of the main improvements for several variations of the present invention is the flexibility of the system. In the event of additional combustion, a new combined cycle power plant may include several different gas turbines along with a steam turbine manufactured in accordance with customer requirements to expand the operating range of the new combined cycle power plant.

Так как производительность определена как объем выработки электроэнергии, поделенной на входную энергию, исследование энергетического потока можно использовать для определения требуемой при заданной мощности производительности парового цикла. Поэтому, с точки зрения совокупной производительности комбинированного цикла, выработанной энергией считается комбинация выработки паровой и газовой турбин. Входной энергией является общее количество входной энергии газовой турбины совокупно с энергией, добавленной на горелки за счет дополнительного сжигания топлива. По этой причине в отношении Фиг.21 формула для вычисления производительности (η) комбинированного цикла в соответствии с несколькими предпочтительными вариантами изобретения представлена следующим образом:Since productivity is defined as the volume of electricity generation divided by input energy, the study of the energy flow can be used to determine the steam cycle productivity required at a given power. Therefore, from the point of view of the combined capacity of the combined cycle, the energy generated is considered the combination of steam and gas turbine generation. Input energy is the total amount of input energy of the gas turbine in conjunction with the energy added to the burners due to additional fuel combustion. For this reason, with respect to FIG. 21, a formula for calculating the productivity (η) of a combined cycle in accordance with several preferred embodiments of the invention is presented as follows:

Figure 00000003
Figure 00000003

GТО - выработка газовой турбины;GTO - gas turbine production;

STO - выработка парового цикла;STO - steam cycle generation;

GTI - входная энергия газовой турбины;GTI - input energy of a gas turbine;

SFE - входная энергия ПГРТ за счет дополнительного горения.SFE - input energy PGRT due to additional combustion.

Параметры в формуле, приведенной выше, обычно известны. Неизвестной переменной величиной является энергия, произведенная в паровом цикле. Этот показатель является функцией некоторых других поступлений энергии, включая мощность генератора паровой турбины, потерю выхлопных газов ПГРТ, фактор вспомогательной нагрузки и производительность парового цикла. Во-первых, необходимо произвести расчет количества энергии, который передается в пар из ПГРТ. Это определено как пар регенерации (2108) и рассчитывается при помощи следующей формулы:The parameters in the formula above are generally known. An unknown variable is the energy produced in the steam cycle. This indicator is a function of several other energy inputs, including the power of the steam turbine generator, exhaust gas loss of the HRSG, auxiliary load factor, and steam cycle productivity. Firstly, it is necessary to calculate the amount of energy that is transferred to the steam from the HRSG. This is defined as regeneration steam (2108) and is calculated using the following formula:

HRS=[HGI+SFE-HE] (1-HGL) (3)HRS = [HGI + SFE-HE] (1-HGL) (3)

HRS - энергия ПГРТ, переданная пару;HRS - PGRT energy transferred to the pair;

HGI - теплота выхлопов газовой турбины;HGI - heat of exhaust gas turbine;

SFE - теплота дополнительного горения;SFE - heat of additional combustion;

НЕ - потери выхлопов ПГРТ (ПВ);NOT - exhaust emissions PGRT (PV);

HGL - потери теплоты.HGL - heat loss.

По указанной формуле рассчитывают теплоту, переданную в пар, как сумму теплоты выхлопов газовой турбины и теплоты, добавленной в результате дополнительного горения, за вычетом потерь выхлопов ПГРТ, с поправкой на потерю теплоты в окружающую среду. На данном этапе это определяет количество энергии, участвующей в паровом цикле. Для определения выработки электричества из этой энергии, выработки парового цикла (2111) входная энергия должна быть скорректирована по производительности парового цикла (2109), потерям генератора паровой турбины (2110) и вспомогательной нагрузке (2112). Формула для определения мощности генератора паровой турбины приобретает следующую форму:According to this formula, the heat transferred to the steam is calculated as the sum of the heat of the exhaust gas turbine and the heat added as a result of additional combustion, minus the loss of exhaust PGRT, adjusted for the loss of heat in the environment. At this stage, this determines the amount of energy involved in the steam cycle. To determine the generation of electricity from this energy, the generation of a steam cycle (2111), the input energy must be adjusted according to the performance of the steam cycle (2109), losses of the steam turbine generator (2110) and auxiliary load (2112). The formula for determining the power of a steam turbine generator takes the following form:

STO=HRS×SCE×AXF×(1-SGL) (4)STO = HRS × SCE × AXF × (1-SGL) (4)

HRS - энергия ПГРТ, преобразованная в пар;HRS - PGRT energy converted to steam;

SCE - базовая производительность парового цикла;SCE - basic steam cycle performance;

AXF - фактор вспомогательной нагрузки;AXF - auxiliary load factor;

SGL - потери генератора паровой турбины;SGL - steam turbine generator losses;

=(1 - SGE (производительность парового генератора))= (1 - SGE (steam generator performance))

Величина выхода парового цикла характеризует преобразование паровой энергии в энергию вала паровой турбины, которая затем корректируется по выработке электричества в паровом цикле как путем поправок производительности генератора, так и путем уменьшения выработанной энергии за счет вспомогательной нагрузки.The value of the steam cycle output characterizes the conversion of steam energy into the energy of the shaft of a steam turbine, which is then corrected by the generation of electricity in the steam cycle, both by adjusting the capacity of the generator and by reducing the generated energy due to auxiliary load.

Зная результаты этих вычислений, а также исходя из заданной величины выработки для данной газовой турбины (см. Фиг.29 для диапазона объемов выработанной электроэнергии для предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения), можно определить требуемую производительность парового цикла, которая составит производительность предпочтительного варианта электростанции с комбинированием циклов, равную производительности традиционной электростанции, известной из уровня техники и базирующейся на использовании тех же газовых турбин. На Фиг.30 продемонстрированы уровни производительности парового цикла, которые необходимы при увеличении параметров электростанции с комбинированием циклов, описанной в нескольких предпочтительных примерах настоящего изобретения. Обратите внимание, что параметр вдоль горизонтальной оси является отношением энергии, выработанной паровой турбиной, к общей энергии, выработанной всеми газовыми турбинами.Knowing the results of these calculations, as well as on the basis of a given output for a given gas turbine (see Fig. 29 for the range of volumes of generated electricity for the preferred embodiments of the present invention), it is possible to determine the required steam cycle capacity, which will be the productivity of the preferred variant of a power plant with a combination cycles equal to the performance of a traditional power plant, known from the prior art and based on the use of the same gas tours in. FIG. 30 illustrates the steam cycle productivity levels that are needed when increasing the parameters of a combined cycle power plant described in several preferred examples of the present invention. Note that the parameter along the horizontal axis is the ratio of the energy generated by the steam turbine to the total energy produced by all gas turbines.

При помощи Фиг.29, 30 и вышеприведенных формул для расчета производительности парового цикла и совокупной производительности электростанции специалист-конструктор может определить, какая комбинация газовых турбин наиболее подходит с точки зрения производительности энергии и экономической выгоды, а также определить относительную сложность парового цикла (сверхкритические условия пара, количество нагревания питающей воды, температуры впуска и т.д.), которые составят желаемую производительность электростанции. Фиг.47-50 иллюстрируют способ проектирования электростанции/сооружения, обеспечивающий выбор, конструкцию и финансирование электростанции в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения.Using Figs. 29, 30 and the above formulas for calculating the steam cycle productivity and the total capacity of a power plant, the designer can determine which combination of gas turbines is most suitable in terms of energy productivity and economic benefits, as well as determine the relative complexity of the steam cycle (supercritical conditions steam, the amount of heating of the supply water, inlet temperature, etc.), which will constitute the desired capacity of the power plant. Figures 47-50 illustrate a design method for a power plant / structure providing for selection, design and financing of a power plant in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

Гибкость предпочтительного варианта реализацииFlexibility of a Preferred Embodiment

Как было отмечено ранее, гибкость (трансформируемость) является одним из преимуществ настоящего изобретения. Из анализа Фиг.30 можно увидеть, что при более низком соотношении энергий паровой/газовой турбин для обеспечения такой же производительности электростанции в соответствии с настоящим изобретением может быть использован паровой цикл с более умеренной мощностью. Однако при низком соотношении паровой/газовой турбин было бы возможно использовать ультрасверхкритические режимы пара для увеличения мощности электростанции с комбинированием циклов, известной из предшествующего уровня техники. Если в модели реализации, показанной на Фиг.26, при 725 МВт использовать ультрасверхкритический нижний цикл, тепловая мощность сократится с 6006 BTU/кВт·ч до 5912 BTU/кВт·ч.As noted earlier, flexibility (transformability) is one of the advantages of the present invention. From the analysis of FIG. 30, it can be seen that, at a lower ratio of energy of steam / gas turbines, a steam cycle with a more moderate power can be used in order to provide the same capacity of the power plant in accordance with the present invention. However, with a low steam / gas turbine ratio, it would be possible to use ultra-supercritical steam modes to increase the power of the power plant by combining cycles known in the art. If in the implementation model shown in FIG. 26, at 725 MW, an ultra-supercritical lower cycle is used, the heat output will decrease from 6006 BTU / kW · h to 5912 BTU / kW · h.

Однако, в отличие от предпочтительных вариантов с более высокими соотношениями газовой/паровой турбины, такая конфигурация обладает меньшей функциональной гибкостью. При пониженных соотношениях регулирование предпочтительного варианта будет более похоже на предшествующий уровень техники, когда необходимо модулирование газовой турбины для управления нагрузкой электростанции в высшей рабочей точке электростанции. В зависимости от экономической целесообразности, высокая производительность, низкая производительность или капитальные затраты определяют, какое соотношение паровой/газовой турбин выбирает в конечном итоге разработчик электростанции.However, unlike the preferred options with higher gas / steam turbine ratios, this configuration has less functional flexibility. With reduced ratios, the regulation of the preferred embodiment will be more similar to the prior art when it is necessary to modulate a gas turbine to control the power plant load at the highest operating point of the power plant. Depending on economic feasibility, high productivity, low productivity or capital costs determine which steam / gas turbine ratio the power plant designer ultimately chooses.

Возможное соотношение ПТ/ГТ и для предпочтительного вариантаPossible ratio PT / GT and for the preferred option

На Фиг.30 показано увеличение параметров паровой турбины, достигаемое в соответствии с несколькими предпочтительными вариантами настоящего изобретения. Традиционная электростанция с комбинированием циклов может иметь мощность паровой турбины, номинально составляющую 55% всей мощности газовой турбины. Поэтому общая мощность электростанции может быть определена как 1,55 мощности газовой турбины (1,00 для газовой турбины плюс 0,55 для паровой турбины). По этому примеру в соответствии с настоящим изобретением паровая турбина может быть спроектирована так, чтобы ее мощность в 2,1 раза превышала мощность газовой турбины и совокупная мощность электростанции, таким образом, составляла бы величину в 3,1 больше мощности газовой турбины (1,0 для газовой турбины плюс 2,1 для паровой турбины).On Fig shows the increase in the parameters of a steam turbine, achieved in accordance with several preferred variants of the present invention. A traditional combined cycle power plant may have a steam turbine capacity of nominally 55% of the total gas turbine capacity. Therefore, the total capacity of the power plant can be defined as 1.55 of the power of the gas turbine (1.00 for the gas turbine plus 0.55 for the steam turbine). According to this example, in accordance with the present invention, a steam turbine can be designed so that its power is 2.1 times higher than the power of the gas turbine and the total power of the power plant, thus, would be 3.1 times greater than the power of the gas turbine (1.0 for a gas turbine plus 2.1 for a steam turbine).

Данный пример варианта реализации настоящего изобретения обеспечивает эффективность в 3,1/1,55=2.0 раза больше, чем известно из уровня техники. Однако, чтобы оставаться на равных с предшествующим уровнем техники по уровню производительности, базовая производительность парового цикла должна быть 48,3% (см. Фиг.30). В сверхкритических режимах работы пара, при усовершенствованных характеристиках пара и при нагревании питающей воды, базовые уровни производительности парового цикла могут достигать указанного значения. Поэтому некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения, при условии использования определенных газовых турбин, способны практически удваивать мощность электростанций с комбинированием циклов в сравнении с предшествующим уровнем техники, значительно уменьшать количество аппаратных средств, которые были бы необходимы в предшествующем уровне техники для достижения той же мощности, и в то же время достигать уровней производительности, сравнимых с предшествующим уровнем техники.This example embodiment of the present invention provides an efficiency of 3.1 / 1.55 = 2.0 times more than is known from the prior art. However, in order to remain on par with the prior art in terms of productivity, the basic steam cycle productivity should be 48.3% (see FIG. 30). In supercritical modes of steam operation, with improved steam characteristics and when heating feed water, the basic levels of steam cycle productivity can reach the specified value. Therefore, some preferred variants of the present invention, provided certain gas turbines are used, are able to practically double the power of combined cycle power plants in comparison with the prior art, significantly reduce the amount of hardware that would be necessary in the prior art to achieve the same power, and at the same time achieve performance levels comparable to the prior art.

Так как в соответствии с настоящим изобретением предполагается использование ПГРТ с единым уровнем давления, а для эффективного использования ПГРТ с единым уровнем давления поток питающей воды в секции низкой температуры ПГРТ должен быть соответствующим для обеспечения абсорбции энергии выхлопных газов газовой турбины, анализ показывает, что минимальное соотношение паровой/газовой турбины, необходимое для достижения такой цели, должно составлять приблизительно 0,75.Since in accordance with the present invention it is assumed to use a HRSG with a single pressure level, and for effective use of a HRSG with a single pressure level, the flow of feed water in the low temperature section of the HRSG must be appropriate to ensure the absorption of energy of the exhaust gases of a gas turbine, the analysis shows that a steam / gas turbine needed to achieve such a goal should be approximately 0.75.

Исходя из того, что относительное количество выработанной энергии газовой турбины равно 1,0, а соотношение паровой/ газовой турбины равно 0,75, совокупная мощность электростанции составляет величину, превышающую мощность газовой турбины в 1,75 раз, что приводит газовые турбины к совокупной выработке энергии равной (1,0/1,75) или приблизительно 0,57, т.е. 57% полной выработки энергии электростанцией.Based on the fact that the relative amount of energy generated by a gas turbine is 1.0, and the ratio of steam / gas turbine is 0.75, the total capacity of the power plant is 1.75 times the capacity of the gas turbine, which leads to the generation of gas turbines energy equal to (1.0 / 1.75) or approximately 0.57, i.e. 57% of the total energy generated by a power plant.

Ограничения проектированияDesign limitations

Хотя несколько предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения предполагают более широкий диапазон параметров комбинированного цикла для данного комплекта газовых турбин, чем это было доступно в рамках предшествующего уровня техники, тем не менее, существуют ограничения по проекту электростанций с комбинированием циклов, использующих новые технологии. Далее приведены некоторые из таких ограничений:Although several preferred embodiments of the present invention suggest a wider range of combined cycle parameters for a given set of gas turbines than was available in the prior art, however, there are limitations to the design of combined cycle power plants using new technologies. The following are some of these limitations:

1. При температуре горения газа в трубках впускного отверстия выше 1600°F ПГРТ потребует более дорогой конструкции водного экрана.1. At a gas burning temperature in the inlet tubes above 1600 ° F, the HRSG will require a more expensive water screen design.

2. С учетом конструкции водяного экрана ПГРТ может ограничиваться температурой горения газа в трубках впускного отверстия на уровне приблизительно 2400°F.2. Based on the design of the water screen, the HRSG may be limited by the temperature of the gas burning in the inlet tubes at approximately 2400 ° F.

3. Выхлопные газы ПГРТ должны содержать значительное количество кислорода для поддержания горения дополнительного топлива.3. The exhaust gases of PGRT must contain a significant amount of oxygen to maintain the combustion of additional fuel.

4. Горелки, которые обеспечивают поступление дополнительного тепла в ПГРТ, должны иметь возможность поддерживать низкие уровни NOX даже при высоких параметрах горения.4. Burners that provide additional heat to the HRSG should be able to maintain low NOX levels even with high combustion parameters.

5. Цикл должен быть спроектирован так, чтобы можно было работать в рамках проектных параметров по давлению и температуре паровой турбины.5. The cycle should be designed so that it is possible to work within the design parameters for pressure and temperature of a steam turbine.

6. Цикл должен быть спроектирован таким образом, чтобы поддерживалась соответствующая производительность, себестоимость, уровень выбросов, а также любые другие ограничительные параметры, существование которых делает проект приемлемым с экономической и экологической точек зрения.6. The cycle should be designed in such a way as to maintain appropriate productivity, cost, emissions, as well as any other restrictive parameters, the existence of which makes the project acceptable from an economic and environmental point of view.

Принимая во внимание такие ограничения, на Фиг.29 приведен диапазон номинальной мощности для электростанций с комбинированием циклов, описанных в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения. Обратите внимание, что эти электростанции базируются на одной или двух газовых турбинах и покрывают диапазон от менее 150 до 1050 МВт. Фиг.29 не предназначена для демонстрации всех возможных комбинаций, которые могут быть использованы в соответствии с предпочтительным вариантом настоящего изобретения, а представляет только примеры различных газовых турбин для иллюстрации.In view of such limitations, FIG. 29 shows a range of rated power for combined cycle power plants described in some preferred embodiments of the present invention. Please note that these power plants are based on one or two gas turbines and cover a range of less than 150 to 1,050 MW. 29 is not intended to demonstrate all possible combinations that can be used in accordance with a preferred embodiment of the present invention, but is only examples of various gas turbines for illustration.

Влияние экономических аспектов на проект электростанцииThe impact of economic aspects on the design of the power plant

Все инженеры-конструкторы, являющиеся специалистами в данной области, изучают многие проекты электростанций, с точки зрения их относительных экономических преимуществ, перед тем, как выбрать окончательную конфигурацию электростанции. Это относится и к известным из уровня техники электростанциям с комбинированием циклов, и электростанциям с комбинированием циклов, использующим систему и способ в соответствии с настоящим изобретением. Новые электростанции должны быть коммерчески целесообразными, если принято решение об их строительстве.All design engineers who are specialists in this field study many power plant projects, in terms of their relative economic advantages, before choosing the final configuration of a power plant. This applies to prior art combined cycle power plants and combined cycle power plants using the system and method in accordance with the present invention. New power plants should be commercially viable if a decision is made on their construction.

Инженер-конструктор может изучить различные варианты, такие как градирня электролизного типа с низкой себестоимостью и большими вспомогательными нагрузками (электрические вентиляторы с вращательным электроприводом) или градирня с гиперболической поверхностью - с высокой себестоимостью, имеющая единственную небольшую побочную нагрузку (естественная тяга воздушного потока, вентиляторы не требуются). Таким образом, происходит экономическая оценка экономии энергии в зависимости от капитальных затрат, необходимых для такой экономии. На основании настоящих и ожидаемых затрат на энергию, капитальных затрат и иных факторов разработчик проекта отбирает наиболее экономичный вариант. Наиболее эффективный вариант, с точки зрения перспектив сохранения энергии, не всегда является наиболее экономически выгодным выбором.A design engineer can study various options, such as an electrolytic type cooling tower with low cost and high auxiliary loads (electric fans with rotary electric drive) or a hyperbolic cooling tower with high cost, having a single small side load (natural draft air flow, fans not required). Thus, there is an economic assessment of energy savings depending on the capital costs required for such savings. Based on the current and expected energy costs, capital costs and other factors, the project developer selects the most economical option. The most effective option, in terms of energy conservation prospects, is not always the most cost-effective choice.

Те же оценки потребуются и при рассмотрении некоторых предпочтительных вариантов настоящего изобретения. Хотя ультрасверхкритические режимы пара влекут за собой более высокую производительность пара, возросшая экономия топлива может не перевесить добавочные затраты на более сложные аппаратные средства. При высоких процентных ставках некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения обеспечат значительное увеличение мощности только с номинальным увеличением процентных отчислений по цене. При условии низких затрат на топливо приемлемыми могут быть большие по размеру электростанции без соответствующего увеличения производительности парового цикла. Еще раз необходимо отметить, что некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения предоставляют конструктору-специалисту в данной области и разработчику электростанции широкий выбор при поиске наиболее коммерчески выгодного варианта электростанции.The same estimates will be required when considering some preferred variants of the present invention. Although ultra-supercritical steam modes entail higher steam productivity, increased fuel economy may not outweigh the added costs of more sophisticated hardware. At high interest rates, some preferred embodiments of the present invention will provide a significant increase in capacity with only a nominal increase in interest on price. Given low fuel costs, larger power plants may be acceptable without a corresponding increase in steam cycle productivity. Once again, it should be noted that some preferred variants of the present invention provide a specialist designer in this field and a power plant designer with a wide selection when searching for the most commercially viable option for a power plant.

Когда в ряде вариантов настоящее изобретение рассматривается как преимущественно паровая, а не газотурбинная электростанция, совокупность экономических оценок обычно имеет ключевое значение. Так как указанные турбины будут большими по размеру и с сильными концевыми потоками выхлопов, в них обычно используются один, два или три корпуса выхлопной трубы, у каждой из которых имеется двухпоточное выхлопное устройство. Фиг.51 является иллюстрацией паровой турбины компании General Electric согласно информации в брошюре "Паровые турбины для больших электростанций" Джона К.Райнкера и Ппола Б.Мейсона (GE informative document entitled "Steam Turbines for Large Power Applications" by John K.Reinker and Paul B.Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)). Корпус с левой стороны представляет собой комбинированную секцию высокого/промежуточного давления, а с правой - две более крупных выхлопных секции (низкого давления) для двойных потоков. Допускаются различные размеры выхлопных обшивок, проектируемые в соответствии с длиной лопасти на последнем каскаде. Также могут существовать значительные различия себестоимости различных обшивок.When, in a number of embodiments, the present invention is considered to be primarily a steam rather than a gas turbine power plant, a combination of economic evaluations is usually key. Since these turbines will be large in size and with strong end exhaust streams, they usually use one, two or three exhaust pipe bodies, each of which has a dual-stream exhaust device. Fig. 51 is an illustration of a General Electric steam turbine according to the information in the brochure "Steam Turbines for Large Power Plants" by John K. Reinker and Paul B. Mason (GE informative document entitled "Steam Turbines for Large Power Applications" by John K. Reinker and Paul B. Mason (General Electric Reference GER-3646D, 1996)). The housing on the left side is a combined high / intermediate pressure section, and on the right are two larger exhaust sections (low pressure) for dual flows. Various sizes of exhaust sheaths are allowed, designed in accordance with the length of the blade at the last stage. There may also be significant differences in the cost of various skins.

Выбор высоты лопасти последнего каскада паровой турбины, размера выхлопного корпуса и их количества относится к очень общим экономическим оценкам больших паровых электростанций. Паровой цикл может стать более производительным в результате увеличения до следующего большего по размеру выхлопного корпуса или, возможно даже, в результате добавления еще одного выхлопного корпуса. Однако увеличение производительности парового цикла необходимо взвешивать в сравнении с увеличением себестоимости дополнительных аппаратных средств.The choice of the height of the blades of the last cascade of the steam turbine, the size of the exhaust casing and their number refers to very general economic estimates of large steam power plants. The steam cycle can become more productive as a result of an increase to the next larger exhaust casing or, possibly, as a result of the addition of another exhaust casing. However, the increase in steam cycle productivity must be weighed in comparison with the increase in the cost of additional hardware.

Еще одним фактором, который приобретает значение, является размер конденсатора и оборудования для отвода тепла. Еще раз отметим, что более низкое давление выхлопов приводит к достижению более высокой производительности парового цикла, но стоимость оборудования для достижения меньшего давления выхлопов не должна перевешивать размер экономии на топливе.Another factor that is gaining importance is the size of the condenser and the heat dissipation equipment. Once again, a lower exhaust pressure results in a higher steam cycle performance, but the cost of equipment to achieve a lower exhaust pressure should not outweigh the fuel economy.

Рассматривая экономические аспекты, разработчик должен предоставить проектировщику пооперационный сценарий для новой электростанции. Так как электрическая нагрузка системы является очень динамичной и постоянно меняется, необходима информация о профиле нагрузки, которая представляет примеры нагрузки на данной электростанции как функции времени. Фиг.31А взята из отчета Департамента Энергетики США, DOE/EIA-0614, "Цены на электричество в условиях конкуренции: критическое ценообразование систем энергоснабжения и финансовое положение коммунальных служб по вопросам энергоснабжения" (U.S. Department of Energy report numbered DOE/EIA-0614 entitled "Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities"). Фиг.31A иллюстрирует типичный почасовой профиль нагрузки для системы (сети энергоснабжения) в течение дня. На основе еженедельной информации такой профиль свидетельствует о более низкой нагрузке в выходные дни и праздники, а в соответствии с данными за год - о необходимости некоторых корректировок с учетом сезонных изменений. Поскольку большинство электростанций большую часть своего существования работают с частичной нагрузкой, экономически оптимальный вариант получается при проектировке электростанции с расчетом на работу с наибольшей производительностью при средней нагрузке, в противовес номинальной производительности электростанции.Considering the economic aspects, the developer must provide the designer with an operational scenario for the new power plant. Since the electrical load of the system is very dynamic and constantly changing, information is needed on the load profile, which presents examples of the load at a given power plant as a function of time. Fig. 31A is taken from the US Department of Energy report, DOE / EIA-0614, "Competitive Electricity Prices: Critical Pricing of Energy Supply Systems and the Financial Situation of Utility Energy Services" (US Department of Energy report numbered DOE / EIA-0614 entitled "Electricity Prices in a Competitive Environment: Marginal Cost Pricing of Generation Services and Financial Status of Electric Utilities"). 31A illustrates a typical hourly load profile for a system (power grid) during the day. Based on weekly information, such a profile indicates a lower load on weekends and holidays, and in accordance with the data for the year - the need for some adjustments based on seasonal changes. Since most power plants work part-time for most of their lives, an economically optimal option is obtained when designing a power plant with the expectation of working with the highest capacity at average load, as opposed to the rated capacity of the power plant.

Это подмечено М. Боссом в информационной брошюре General Electric "Паровые турбины для систем энергоснабжения комбинированного цикла STAG" (М. Boss, GE informative document GER-3582E (1996), entitled "Steam Turbines for STAG™ Combined-Cycle Power Systems"). Как объясняется в данной работе, несмотря на то, что производительность парового цикла может быть увеличена до максимальной отметки, если круговая скорость выхлопов паровой турбины у лопасти последнего каскада составляет приблизительно 550 футов в секунду, экономически оптимальное значение достигается обычно при круговой скорости от 700 до 1000 футов в секунду при номинальной производительности паровой турбины. Джеймс С. Райт в информационной брошюре General Electric "Аспекты оптимизации, оценки и тестирования цикла паровой турбины" (James S. Wright, GE informative document GER-3642E (1996), entitled "Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing Considerations") предлагает критерии выбора выхлопного корпуса паровой турбины. В данном примере выбор осуществляется между тремя выхлопными корпусами разного размера, с учетом увеличения эффективности выхлопного корпуса по мере возрастания его размера. Самый большой по величине корпус не выбирают, так как увеличение его эффективности связано с дополнительными стоимостными показателями. Руководствуясь той же логикой, также не выбирают самый маленький корпус. Таким образом, обычно выбирают корпус среднего размера, являющийся оптимальным с экономической точки зрения.This is noted by M. Boss in the General Electric information brochure, “Steam Turbines for STAG Combined Cycle Power Systems” (M. Boss, GE informative document GER-3582E (1996), entitled “Steam Turbines for STAG ™ Combined-Cycle Power Systems”). As explained in this paper, despite the fact that the steam cycle productivity can be increased to a maximum, if the circular velocity of the steam turbine exhausts at the blade of the last cascade is approximately 550 feet per second, the economically optimal value is usually achieved at a circular speed from 700 to 1000 feet per second at rated steam turbine output. James S. Wright in the General Electric information brochure, Aspects of Optimization, Evaluation, and Testing of a Steam Turbine Cycle (James S. Wright, GE informative document GER-3642E (1996), entitled "Steam Turbine Cycle Optimization, Evaluation, and Performance Testing Considerations" ) offers selection criteria for the exhaust turbine housing. In this example, the choice is made between three exhaust bodies of different sizes, taking into account the increase in efficiency of the exhaust body as its size increases. The largest housing is not chosen, since an increase in its effectiveness is associated with additional cost indicators. Guided by the same logic, they also do not choose the smallest case. Thus, usually choose a medium-sized case, which is optimal from an economic point of view.

ПГРТ с единым уровнем давленияPGRT with a single pressure level

Для того чтобы сделать результативным ПГРТ в режиме единого уровня давления, необходимо сначала рассмотреть эффективность его проекта. На Фиг.11 представлена кривая энтальпии пара в зависимости от температуры для давления 1800 фунтов на кв. дюйм. Как это можно заметить, теплосодержание (энтальпия) пара не является линейной функцией температуры. Это явление значительно усложняет перенос тепла выхлопными газами, имеющих почти линейную характеристику (см. Фиг.12). Как видно из Фиг.11, в точке кипения при 621°F энтальпия смеси вода/пар возрастает с 648 BTU/lb до 1154 BTU/lb без какого-либо увеличения температуры. Поглощаемое в этой секции ПГРТ (испарителе) количество тепла будет значительно больше, чем в любой другой секции для данного изменения температуры.In order to make PGRT effective in the single pressure mode, it is necessary to first consider the effectiveness of its project. 11 shows a vapor enthalpy curve versus temperature for a pressure of 1800 psi. inch. As you can see, the heat content (enthalpy) of the vapor is not a linear function of temperature. This phenomenon greatly complicates the heat transfer by exhaust gases having an almost linear characteristic (see FIG. 12). As can be seen from FIG. 11, at the boiling point at 621 ° F, the enthalpy of the water / steam mixture increases from 648 BTU / lb to 1154 BTU / lb without any increase in temperature. The amount of heat absorbed in this section of the PGRT (evaporator) will be significantly greater than in any other section for a given temperature change.

Между температурами от 100 и 400°F средняя теплоемкость воды достигает 1,014 BTU/lb/°F. Эта величина обычно является линейной и изменяется незначительно с изменением давления. Поэтому в данной секции передача тепла между водой и выхлопными газами будет относительно постоянной.Between temperatures between 100 and 400 ° F, the average heat capacity of water reaches 1.014 BTU / lb / ° F. This value is usually linear and varies slightly with pressure. Therefore, in this section, the heat transfer between water and exhaust gases will be relatively constant.

Для максимального повышения эффективности регенерации тепла в ПГРТ, а также для обеспечения поступления максимального количества пара в паровую турбину требуется метод системного регулирования, позволяющий оптимизировать поток питающей воды/пара через каждый отдел ПГРТ. Такая схема оптимизации будет заложена в приборные средства системы управления электростанции.To maximize the efficiency of heat recovery in PGRT, as well as to ensure that the maximum amount of steam enters the steam turbine, a system control method is required to optimize the flow of feed water / steam through each section of the PGRT. Such an optimization scheme will be incorporated into the instrumentation of the power plant control system.

Система регулированияRegulatory system

Существует огромное количество возможных технологий регулирования для паровых турбин, однако популярными являются регулировка потока и регулировка скользящего давления. В случае регулировки потока паровая турбина включает набор клапанов, настроенных на поддержание проектного давления на впуске. В случае регулировки скользящего давления давление на впуске в паровую турбину имеет возможность "скользить" или изменяться с изменением нагрузки (потока пара) паровой турбины. Для электростанций с комбинированием циклов, где используется вариант регенерации тепла, часто преимущественным является использование регулировки скользящего давления. Такой метод управления позволяет использовать высокие объемные расходы потоков паровой турбины путем использования пара с более низким удельным объемом (низкое давление) при частичной нагрузке. Это позволяет поддерживать уровень производительности паровой турбины на проектном уровне или близко к нему. Кроме того, пар более низкого давления кипит при температуре более низкой, чем пар высокого давления, поэтому более низкотемпературные выхлопные газы в ПГРТ, связанном с более низкой нагрузкой, могут обеспечивать большее парообразование.There are many possible control technologies for steam turbines, but flow control and sliding pressure control are popular. In the case of flow control, the steam turbine includes a set of valves configured to maintain the design inlet pressure. In the case of adjusting the sliding pressure, the pressure at the inlet to the steam turbine has the ability to "slip" or vary with the load (steam flow) of the steam turbine. For combined cycle power plants where a heat recovery option is used, it is often advantageous to use sliding pressure adjustment. This control method allows the use of high volumetric flow rates of steam turbine flows by using steam with a lower specific volume (low pressure) at partial load. This allows you to maintain the performance level of the steam turbine at or near the design level. In addition, lower pressure steam boils at a temperature lower than high pressure steam; therefore, lower temperature exhaust gases in PGRT associated with a lower load can provide greater vaporization.

Использование энергииEnergy use

Как было ранее показано, для того чтобы производить пар высокого давления в ПГРТ, необходимо не только наличие общего компонента энергии для производства пара (совокупные необходимые BTU), но энергия также должна иметь надлежащую температуру, чтобы вызвать необходимую передачу тепла. Кроме того, желательно максимально использовать отходящую теплоту, а также не производить большого количества горячей воды или не увеличивать значительно температуру выхлопов ПГРТ по сравнению с оптимальными значениями. Использование дополнительного горения становится чрезвычайно полезным для достижения таких целей.As previously shown, in order to produce high pressure steam in a HRSG, not only does it have to have a common energy component to produce steam (the total necessary BTUs), but the energy must also have the proper temperature to cause the necessary heat transfer. In addition, it is desirable to maximize the use of waste heat, as well as not to produce a large amount of hot water or not to significantly increase the temperature of the exhaust gases of the PGRT compared to the optimal values. The use of additional combustion becomes extremely useful to achieve such goals.

Теперь будет полезно рассмотреть концепцию ПГРТ единого уровня давления, используемого в газовой турбине. Как было показано, такой вариант, будучи разработан для температуры выхлопов ПГРТ 180°F, приводит либо к образованию чрезмерного количества горячей воды, либо к слишком высокой температуре выхлопных газов ПГРТ, известной из уровня техники. Это происходит из-за недостаточности входного тепла - при более высоких температурах, а также из-за избыточности имеющегося тепла - при более низких температурах. Для иллюстрации представьте ПГРТ, который добавил тепло в выхлопные газы без увеличения температуры (не очень вероятный вариант для узла газовая турбина/ПГРТ). Представьте, что для добавления тепла ПГРТ был спроектирован таким образом, что он поглощает больше топлива и воздуха, но без увеличения входной температуры. Такой сценарий предполагает образование большего количества выхлопных газов газовой турбины и, следовательно, большего количества горячей воды. Эффективность ПГРТ не изменится, только его мощность изменится пропорционально добавленному теплу.It will now be useful to consider the concept of PGRT for a single pressure level used in a gas turbine. As has been shown, such an option, being designed for exhaust gas temperature of PGRT 180 ° F, leads either to the formation of an excessive amount of hot water, or to a too high temperature of exhaust gases PGRT, known from the prior art. This is due to insufficient input heat - at higher temperatures, and also because of the excess heat available - at lower temperatures. To illustrate, imagine PGRT that added heat to exhaust gases without increasing temperature (not a very likely option for a gas turbine / PGRT assembly). Imagine that to add heat PGRT was designed in such a way that it absorbs more fuel and air, but without increasing the input temperature. This scenario involves the formation of more exhaust gas turbine and, consequently, more hot water. The effectiveness of PGRT will not change, only its power will change in proportion to the added heat.

Такая концепция является важной, так как она имеет отношение не только к ПГРТ, но также к традиционной практике комбинирования циклов, когда используется дополнительное горение. В существующем уровне техники дополнительное горение увеличивало потоки пара, но не приводило к повышению эффективности парового цикла.This concept is important because it relates not only to PGRT, but also to the traditional practice of combining cycles when additional combustion is used. In the current level of technology, additional combustion increased the flow of steam, but did not lead to an increase in the efficiency of the steam cycle.

В связи с наличием чрезмерного количества кислорода в выхлопных газах газовой турбины (уровень кислорода сокращается с 21% в окружающем воздухе до приблизительно 12-15% в выхлопах газовой турбины при полной нагрузке) топливо может гореть непосредственно в ПГРТ без необходимости обеспечения дополнительного воздуха. Такая практика позволяет использовать дополнительное горение для увеличения температуры выхлопных газов. Сгорание и процесс регенерации тепла для дополнительного горения является эффективным на 99%, так как только 1% поступившего в ПГРТ тепла теряется в окружающей среде. Это является значительным усовершенствованием по сравнению с котлами цикла Ренкайна, которые могут иметь эффективность всего от 80 до 90%. Основной причиной такой разницы между котлами традиционного цикла Ренкайна и ПГРТ является то, что котлы традиционного цикла Ренкайна поглощают холодный окружающий воздух для горения и могут затем выделять выхлопы при температуре от 350 до 400°F, а в ПГРТ поступают предварительно нагретые выхлопные газы газовой турбины при температуре от 800 до 1200°F, а затем выхлопы при температуре от 160 до 200°F.Due to the presence of an excessive amount of oxygen in the exhaust gas of a gas turbine (the oxygen level decreases from 21% in ambient air to approximately 12-15% in the exhaust of a gas turbine at full load) the fuel can burn directly in the HRS without the need for additional air. This practice allows the use of additional combustion to increase the temperature of the exhaust gases. Combustion and the heat recovery process for additional combustion is 99% effective, since only 1% of the heat received in the HRSG is lost in the environment. This is a significant improvement over the Rankine cycle boilers, which can have an efficiency of only 80 to 90%. The main reason for this difference between the traditional Renkine cycle and PGRT boilers is that the traditional Renkine cycle boilers absorb the cold ambient air for combustion and can then emit exhausts at temperatures from 350 to 400 ° F, and the preheated exhaust gas from the gas turbine temperatures from 800 to 1200 ° F, and then exhausts at temperatures from 160 to 200 ° F.

Увеличение уровня энергии выхлопных газов в результате дополнительного горения значительно повышает их возможность (способность к передаче тепла) образовывать пар высокого давления и температуры. Кроме того, большая энергия высоко расположенного торца ПГРТ идет в зачет или служит для баланса чрезмерной энергии низко расположенного торца ПГРТ, типичного в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.An increase in the energy level of exhaust gases as a result of additional combustion significantly increases their ability (heat transfer ability) to form high pressure and temperature steam. In addition, the high energy of the high end of the PGRT is offset or serves to balance the excessive energy of the low located end of the PGRT, typical in the combined cycle of the prior art.

Другими словами, дополнительное тепло, поступившее во впускное отверстие ПГРТ, которое увеличивает температуру выхлопных газов, может передаваться в поток питающей воды, у которого было недостаточно энергии для превращения в пар. Увеличивается не только общий поток пара, но также и эффективность парового цикла за счет более высокого пропорционального соотношения пара высокого давления.In other words, the additional heat entering the PGRT inlet, which increases the temperature of the exhaust gases, can be transferred to the feed water stream, which did not have enough energy to turn into steam. Not only does the overall steam flow increase, but also the efficiency of the steam cycle due to the higher proportional ratio of high pressure steam.

Таким образом, добавление топлива в нижний цикл, а также обеспечение дополнительного поступления тепла могут быть использованы для повышения общей эффективности нижнего цикла.Thus, adding fuel to the lower cycle, as well as providing additional heat, can be used to increase the overall efficiency of the lower cycle.

Обзор системыSystem Overview

На Фиг.13 представлена концептуальная схема комбинирования циклов с добавлением тепла в нижний цикл. На Фиг.13 жидкость верхнего цикла (1301) поступает в двигатель верхнего цикла (1302), где для увеличения ее температуры добавляется топливо и/или тепло (1303). Жидкость осуществляет работу, которая преобразуется двигателем верхнего цикла в механическую энергию вала. Эта энергия приводит в действие нагрузку верхнего цикла (1304). Нагрузка представляет собой электрический генератор, насос, компрессор или любое другое устройство, требующее для запуска механическую энергию. Выбрасываемая из двигателя верхнего цикла жидкость направляется через выхлопной трубопровод (1305) в устройство для регенерации тепла (1306). Кроме того, топливо и/или тепло (1314) добавляется в жидкость верхнего цикла в той точке, где она поступает в устройство для регенерации тепла. После прохождения через устройство для регенерации тепла жидкость верхнего цикла выбрасывается в открытый резервуар (1307).On Fig presents a conceptual diagram of a combination of cycles with the addition of heat to the lower cycle. 13, the upper cycle fluid (1301) enters the upper cycle engine (1302), where fuel and / or heat (1303) is added to increase its temperature. The liquid carries out work, which is converted by the engine of the upper cycle into the mechanical energy of the shaft. This energy drives the load of the upper cycle (1304). A load is an electric generator, pump, compressor, or any other device that requires mechanical energy to start. The liquid discharged from the upper cycle engine is directed through the exhaust pipe (1305) to a heat recovery device (1306). In addition, fuel and / or heat (1314) is added to the upper cycle fluid at the point where it enters the heat recovery device. After passing through the device for heat recovery, the upper cycle fluid is discharged into the open reservoir (1307).

Для данного примера верхний цикл является открытым циклом. Другими словами, жидкость верхнего цикла забирается из большого резервуара и выбрасывается в тот же самый резервуар. Устройство для регенерации тепла (1306) получает часть энергии выхлопов верхнего цикла и передает ее в жидкость нижнего цикла (1308). В этом примере жидкость нижнего цикла нагревается при едином уровне давления, на линии высокого давления (1309). Затем эта жидкость поступает в двигатель нижнего цикла (1310), где она приводит в действие нагрузку нижнего цикла (1311). Снова отметим, что нагрузка представляет собой электрический генератор, насос, компрессор или любое другое устройство, требующее для запуска механическую энергию.For this example, the top loop is an open loop. In other words, the upper cycle fluid is taken from a large reservoir and discharged into the same reservoir. The device for heat recovery (1306) receives part of the energy of the exhaust of the upper cycle and transfers it to the liquid of the lower cycle (1308). In this example, the lower cycle fluid is heated at a single pressure level on the high pressure line (1309). This liquid then enters the lower cycle engine (1310), where it drives the lower cycle load (1311). Again, the load is an electric generator, pump, compressor, or any other device that requires mechanical energy to start.

Из двигателя нижнего цикла жидкость нижнего цикла поступает в теплообменник (1312), откуда тепло отводится наружу. Затем жидкость нижнего цикла поступает в устройство передачи жидкости (1313). Для данного примера нижний цикл является закрытым, что означает, что жидкость нижнего цикла постоянно циркулирует в замкнутом цикле.From the lower cycle engine, the lower cycle liquid enters the heat exchanger (1312), from where heat is removed to the outside. Then the lower cycle fluid enters the fluid transfer device (1313). For this example, the lower cycle is closed, which means that the liquid of the lower cycle is constantly circulating in a closed cycle.

Вариант настоящего изобретения, показанный на Фиг.13, отличается от Фиг.5 двумя основными моментами:The embodiment of the present invention shown in FIG. 13 differs from FIG. 5 in two main respects:

1. Топливо и/или тепло, добавляемые (1314) в устройство для регенерации тепла 1306, которое не добавляется в соответствии с Фиг 5; и1. Fuel and / or heat added (1314) to a heat recovery device 1306 that is not added in accordance with FIG. 5; and

2. Согласно Фиг.13 имеется только одна жидкость - жидкость высокого давления (1309), поступающая в двигатель нижнего цикла (1312), в то время как в соответствии с Фиг.5 на двигатель нижнего цикла (512) подаются жидкость высокого давления (509), промежуточного давления (510) и низкого давления (511).2. According to FIG. 13, there is only one liquid — high pressure liquid (1309) entering the lower cycle engine (1312), while in accordance with FIG. 5, high pressure liquid (509) is supplied to the lower cycle engine (512) ), intermediate pressure (510) and low pressure (511).

С использованием метода добавления в нижний цикл топлива и/или тепла увеличивается не только энергия нижнего цикла, но также эффективность цикла, поскольку тогда жидкости промежуточного и низкого давления переведены на уровень жидкости высокого давления. А жидкость высокого давления на единицу массы потока может выполнять больше работы, чем жидкость промежуточного и низкого давления.Using the method of adding fuel and / or heat to the lower cycle, not only the energy of the lower cycle is increased, but also the efficiency of the cycle, since then intermediate and low pressure liquids are transferred to the high pressure liquid level. A high-pressure fluid per unit mass of the flow can do more work than an intermediate and low-pressure fluid.

Имеется несколько различных видов текучих сред, которые могут быть использованы в концепции комбинирования циклов, включая воду, воздух, пар, аммиак, охладители, смеси и др. Демонстрация предпочтительной модели этой концепции не имеет целью ограничение количества циклов, используемых в комбинированном цикле, ограничение видов жидкости в комбинированном цикле одним конкретным видом, ограничение давления жидкости, которое может использоваться в цикле, или ограничение любого цикла его открытым или закрытым типом, а лишь показывает, что процесс увеличения термического к.п.д. при комбинировании циклов часто может быть осуществлен посредством стратегического использования дополнительных топлива и/или входного тепла.There are several different types of fluids that can be used in the concept of combining cycles, including water, air, steam, ammonia, coolers, mixtures, etc. The demonstration of the preferred model of this concept is not intended to limit the number of cycles used in the combined cycle, to limit the types liquids in a combined cycle with one specific type, limiting the pressure of a liquid that can be used in a cycle, or restricting any cycle to its open or closed type, but only shows that process of increasing the thermal efficiency when combined, cycles can often be accomplished through the strategic use of additional fuel and / or heat input.

Анализ передачи теплаHeat Transfer Analysis

Секция экономайзера низкого давления ПГРТPGRT Low Pressure Economizer Section

Как было указано ранее, проблема производства пара высокого давления на традиционных электростанциях с комбинированием циклов заключается в распределении энергии между выхлопными газами и выработанным паром. Кроме того, для оптимизации регенерации тепла желательно, чтобы температура выхлопных газов при выходе из ПГРТ была оптимальной. Поэтому необходимо более глубоко изучить процесс регенерации тепла.As mentioned earlier, the problem of producing high pressure steam in conventional power plants with combined cycles is the distribution of energy between exhaust gases and steam generated. In addition, to optimize heat recovery, it is desirable that the temperature of the exhaust gases upon exit from the HRSG be optimal. Therefore, it is necessary to study the heat recovery process more deeply.

Для оптимизации регенерации тепла в более низкотемпературных зонах ПГРТ (приблизительно 470°F - температура входящих выхлопных газов, до 180°F - температура выходящих выхлопных газов) значительное количество тепла необходимо изъять при помощи поступающей под давлением воды. Средней теплоемкостью выхлопных газов в этом диапазоне (от 470 до 180°F) является 0,257 BTU/lb/°F (эта величина может незначительно меняться при изменении содержания кислорода в выхлопных газах/количестве дополнительного горения). При температуре от 100 до 400°F средняя теплоемкость воды составляет 1,014 BTU/lb/°F.To optimize heat recovery in the lower temperature zones of the PGRT (approximately 470 ° F is the temperature of the inlet exhaust gases, up to 180 ° F is the temperature of the exhaust gases), a significant amount of heat must be removed using water supplied under pressure. The average heat capacity of the exhaust gases in this range (from 470 to 180 ° F) is 0.257 BTU / lb / ° F (this value may vary slightly with changes in the oxygen content in the exhaust gases / amount of additional combustion). At temperatures between 100 and 400 ° F, the average heat capacity of water is 1.014 BTU / lb / ° F.

Следовательно, для получения приращения температуры питающей воды, соответствующего уменьшению температуры выхлопных газов, соотношение потоков должно составлять (1,014/0,257) или 3,95 Ibs (фунтов-сил) выхлопных газов на один 1b (фунт-силу) питающей воды в данном диапазоне температур ПГРТ. Соотношение потоков на этом или близком к нему уровне обеспечит оптимизацию регенерации тепла для данной секции ПГРТ. За изменениями параметров, такими, как содержание кислорода в выхлопных газах, температурой питающей воды на впуске, а также иными факторами можно наблюдать при помощи аппаратных средств системы управления электростанцией, а также можно рассчитывать и регулировать оптимальное количество питающей воды через каждую секцию ПГРТ.Therefore, to obtain an increment in feed water temperature corresponding to a decrease in exhaust gas temperature, the flow ratio should be (1.014 / 0.257) or 3.95 Ibs (lbf) of exhaust gas per 1b (lbf) of feed water in a given temperature range PGRT. The ratio of the flows at this level or close to it will provide optimization of heat recovery for this section of the HRSG. Changes in parameters, such as the oxygen content in the exhaust gases, the temperature of the feed water at the inlet, and other factors can be monitored using the hardware of the power plant control system, and it is also possible to calculate and adjust the optimal amount of feed water through each section of the PGRT.

Опыт показал, что поддержание температуры холодной воды на впуске секции экономайзера низкого давления (питающей воды непосредственно из конденсатора) может иметь пагубное влияние на долговечность составных частей данной секции. Это обусловливается коррозией в экономайзере в результате того, что трубки и ребра экономайзера более холодные, чем точка росы выхлопных газов ПГРТ. Так как эти составные части обычно конструируют из углеродистой или низколегированной стали, влага конденсата на поверхностях трубок и пластин подвергает их коррозии, уменьшая эффективность теплообменника. Используются два распространенных метода для борьбы с этой проблемой. В одном используют устройство для предварительного нагревания воды, чтобы в экономайзер поступала более теплая вода. Другим способом является изготовление частей экономайзера низкого давления из материала, не подверженного коррозии, например, из нержавеющей стали. Любой из этих способов является приемлемым, и обычно отбирается тот, который определен как оптимальный с экономической точки зрения.Experience has shown that maintaining the temperature of cold water at the inlet of the low-pressure economizer section (feed water directly from the condenser) can have a detrimental effect on the durability of the component parts of this section. This is due to corrosion in the economizer as a result of the fact that the tubes and fins of the economizer are cooler than the dew point of the exhaust gases of the HRSG. Since these components are usually constructed of carbon or low alloy steel, moisture condensation on the surfaces of the tubes and plates corrodes them, reducing the efficiency of the heat exchanger. Two common methods are used to combat this problem. One uses a device for pre-heating water so that warmer water enters the economizer. Another way is to make parts of the low-pressure economizer from a material that is not subject to corrosion, for example, stainless steel. Any of these methods is acceptable, and usually one that is determined to be economically optimal is selected.

Секция экономайзера ПГРТ высокого давленияEconomizer Section High Pressure PGRT

Секция экономайзера ПГРТ высокого давления нагревает питающую воду приблизительно от 400°F (выход из секции экономайзера низкого давления) в идеале до температуры насыщения давления в секции испарителя. Для использующегося в данном примере промежуточного давления в 1800 psia, температура насыщения составит 621°F. В таком диапазоне средняя теплоемкость питающей воды составляет 1,230 BTU/lb/°F. Для нагревания этой воды выхлопные газы газовой турбины должны поступить в секцию при температуре приблизительно на 50°F выше температуры питающей воды на выходе, или 671°F. Средняя теплоемкость выхлопных газов в этом диапазоне (от 671 до 470°F) составляет 0,264 BTU/lb/°F (эта величина может незначительно меняться при изменении содержания кислорода в выхлопных газах/количестве дополнительного горения). Поэтому для данной секции ПГРТ соотношение потоков должно составлять (1,230/0,264) или 4,66 Ibs выхлопных газов на lb питающей воды. Так как такое соотношение потоков не согласуется с оптимальным соотношением потоков экономайзера низкого давления, потребуется внесение корректировки для компенсации этого несоответствия (различные оптимальные потоки через каждую секцию).The economizer section of the high-pressure PGRT heats the feed water from approximately 400 ° F (leaving the economizer section of the low pressure) ideally to the saturation temperature of the pressure in the evaporator section. For the 1800 psia intermediate pressure used in this example, the saturation temperature is 621 ° F. In this range, the average heat capacity of the feed water is 1,230 BTU / lb / ° F. To heat this water, the exhaust gas of a gas turbine must enter the section at a temperature approximately 50 ° F above the temperature of the supply water at the outlet, or 671 ° F. The average heat capacity of the exhaust gases in this range (from 671 to 470 ° F) is 0.264 BTU / lb / ° F (this value may vary slightly with changes in the oxygen content in the exhaust gases / amount of additional combustion). Therefore, for this PGRT section, the flow ratio should be (1,230 / 0,264) or 4.66 Ibs of exhaust gas per lb of feed water. Since this flow ratio is not consistent with the optimal flow ratio of the low pressure economizer, adjustments will be required to compensate for this discrepancy (different optimal flows through each section).

Секция испарителя ПГРТPGRT Evaporator Section

Секция испарителя (субкритический режим использования) является уникальной по сравнению с другими секциями ПГРТ, с точки зрения того, что его входная и выходная температуры являются постоянными величинами (для режима работы при постоянном давлении). Это повышает стабильность процесса теплообмена, а логарифм средней разности температур (LMTD) меньше флуктуирует при различиях потока, чем та же величина в других секциях, поскольку температура выходного отверстия по существу является постоянной. LMTD является нелинейной переменной передачи тепла, которая используется для определения способности передачи тепла теплообменником.The section of the evaporator (subcritical mode of use) is unique compared to other sections of the PGRT, in terms of the fact that its inlet and outlet temperatures are constant (for the operation mode at constant pressure). This increases the stability of the heat transfer process, and the logarithm of the average temperature difference (LMTD) fluctuates less with differences in flow than the same value in other sections, since the temperature of the outlet is essentially constant. LMTD is a non-linear variable heat transfer that is used to determine the heat transfer ability of a heat exchanger.

Благодаря этому постоянному температурному параметру, секции, находящиеся под испарителем - экономайзеры высокого и низкого давления, имеют относительно постоянные (с некоторыми изменениями по давлению/нагрузке) входные температуры.Due to this constant temperature parameter, the sections located under the evaporator - economizers of high and low pressure, have relatively constant (with some changes in pressure / load) inlet temperatures.

Однако в ряде предпочтительных вариантов дополнительное горение значительно изменяет температуры впускного отверстия секции испарителя, а также секций пароперегревателя и промежуточного нагревателя. Такие увеличивающиеся и уменьшающиеся значения температур определяют поток пара через ПГРТ, следовательно, и выработку паровой турбины. Поэтому в противоположность секциям экономайзера оптимизированное соотношение потоков неприменимо для более высоко расположенных секций ПГРТ.However, in a number of preferred embodiments, additional combustion significantly changes the inlet temperature of the evaporator section, as well as the superheater and intermediate heater sections. Such increasing and decreasing temperatures determine the steam flow through the HRSG, and therefore, the production of a steam turbine. Therefore, in contrast to the economizer sections, the optimized flow ratio is not applicable for higher sections of the PGRT.

Поскольку секция испарителя ПГРТ поглощает большую долю имеющегося тепла, а также фактически образует пар, мощность испарителя модулируют в основном входной температурой выхлопных газов, являющейся в общем функцией входной температуры выхлопных газов ПГРТ. Следовательно, управление этой секцией осуществляется в основном через поступающее топливо.Since the PGRT evaporator section absorbs a large fraction of the available heat and also actually forms steam, the evaporator power is modulated mainly by the input temperature of the exhaust gases, which is generally a function of the input temperature of the exhaust gases of the PGRT. Therefore, the control of this section is carried out mainly through the incoming fuel.

Секции пароперегревателя и промежуточного перегревателя ПГРТSections of superheater and intermediate superheater PGRT

Обе эти секции похожи, так как они обе нагревают пар до более высокой температуры. Секция пароперегревателя получает насыщенный пар из секции испарителя и нагревает его до входной температуры турбины высокого давления. Для регулировки температуры до требуемой величины на выходе из этой секции используется пароохладитель.Both of these sections are similar, as they both heat the steam to a higher temperature. The superheater section receives saturated steam from the evaporator section and heats it to the inlet temperature of the high pressure turbine. A desuperheater is used to adjust the temperature to the desired value at the outlet of this section.

Секция промежуточного перегревателя получает пар из секции низкого давления турбины и перегревает его до входной температуры секции промежуточного давления турбины. На выходе из этой секции для регулировки температуры перегрева может использоваться устройство для отвода тепла перегрева (пароохладитель), что происходит за счет эффективности цикла. Как отмечено авторами Юджином А. Аваллоном и Теодором Баумайстером III в Стандартном руководстве для инженеров-механиков (девятое издание) (Eugene A.Avallone and Theodore Baumeister III in Marks' Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) (ISBN 0-07-004127-X, 1987)) в разделах с 9-24 до 9-25:The intermediate superheater section receives steam from the turbine low pressure section and overheats it to the inlet temperature of the turbine intermediate pressure section. At the exit from this section, to control the temperature of the superheat, a device for removing heat from the superheat (desuperheater) can be used, which occurs due to the efficiency of the cycle. As noted by authors Eugene A. Avallone and Theodore Baumeister III in Marks' Standard Handbook For Mechanical Engineers (Ninth Edition) (ISBN 0-07-004127 -X, 1987)) in sections 9-24 to 9-25:

"Терморегуляция перегретого пара путем прямого разбрызгивания воды... приводит к эквивалентному увеличению производства пара высокого давления без термических потерь... Обычно терморегуляторы-разбрызгиватели не используются для контроля температуры перегрева пара, так как их использование приводит к уменьшению общей эффективности тепловых процессов цикла. Однако они часто устанавливаются на случай управления температурой перегрева пара в чрезвычайных ситуациях".“Thermoregulation of superheated steam by direct spraying of water ... leads to an equivalent increase in the production of high-pressure steam without thermal losses ... Typically, thermostatic sprinklers are not used to control the temperature of superheating of steam, since their use reduces the overall efficiency of the thermal cycle processes. However, they are often installed in case of controlling the temperature of the superheat of steam in emergency situations. "

На Фиг.14 показаны кривые, отражающие термические условия секций пароперегревателя и промежуточного перегревателя как функции потока. Кривые не демонстрируют небольшой эффект от пароохладителя, выделенных потоков, потери тепла в трубах или иные небольшие поправки. Необходимо обратить внимание на то, что обе секции требуют пропорционального изменения количества тепла с изменением потока (нагрузка паровой турбины). Поэтому может быть выигрышным, хотя и не обязательным, изготовление этих секций как одной секции в ПГРТ так, чтобы каждая имела свою соответствующую площадь поверхности для теплообмена.On Fig shows curves reflecting the thermal conditions of the sections of the superheater and the intermediate superheater as a function of flow. The curves do not show a small effect from the desuperheater, the released flows, the heat loss in the pipes or other small corrections. It is necessary to pay attention to the fact that both sections require a proportional change in the amount of heat with a change in flow (load of a steam turbine). Therefore, it may be advantageous, although not necessary, to manufacture these sections as one section in a HRSG so that each has its own corresponding surface area for heat transfer.

Площадь поверхности ПГРТPGRT Surface Area

Для получения необходимой передачи тепла из выхлопных газов газовой турбины в воду/пар требуется, чтобы в каждой секции имелась достаточная площадь поверхности для теплообмена. Рабочим уравнением, которое описывает общий процесс теплообмена, является:To obtain the necessary heat transfer from the exhaust gases of a gas turbine to water / steam, it is required that in each section there is sufficient surface area for heat transfer. The working equation that describes the general heat transfer process is:

Q=U×A×LMTD (5)Q = U × A × LMTD (5)

Q - переданное тепло, в BTU/hrQ - heat transferred, in BTU / hr

U - коэффициент полной передачи тепла, в BTU/hr/ft2/°FU - total heat transfer coefficient, in BTU / hr / ft 2 / ° F

А - общая площадь поверхности в кв. футах LMTD - логарифм средней разницы температур при логарифме средней разницы температур, определенном какA is the total surface area in sq. feet LMTD is the logarithm of the average temperature difference with the logarithm of the average temperature difference, defined as

Figure 00000004
Figure 00000004

гдеWhere

GTTD - большая разность температур на выходе;GTTD - large output temperature difference;

LTTD - меньшая разность температур на выходе.LTTD is a smaller difference in output temperature.

Разница температур на выходе, это:The difference in outlet temperature is:

1) температура выхлопных газов, поступающих в секцию ПГРТ, за вычетом температуры воды или пара, находящихся вне секции, и1) the temperature of the exhaust gases entering the PGRT section, minus the temperature of the water or steam outside the section, and

2) температура выхлопных газов, покидающих секцию ПГРТ за вычетом температуры воды или пара, находящихся внутри секции.2) the temperature of the exhaust gases leaving the PGRT section minus the temperature of the water or steam inside the section.

Очевидно, что большей величиной является большая разность температур на выходе и меньшей величиной - меньшая разность температур на выходе. При их равенстве любая из них равна логарифму средней разницы температур. Если большая или меньшая разность температур на выходе становятся слишком малы, площадь поверхности (А) должна быть очень большой для того, чтобы компенсировать недостаток величины. Так как площадью поверхности по существу является вся действующая площадь поверхностей всех трубок и пластин в секции ПГРТ, увеличение площади увеличивает размер, вес и стоимость ПГРТ.Obviously, the larger is the large difference in temperature at the outlet and the smaller is the smaller difference in temperature at the outlet. If they are equal, any of them is equal to the logarithm of the average temperature difference. If the large or smaller temperature difference at the outlet becomes too small, the surface area (A) must be very large in order to compensate for the lack of value. Since the surface area is essentially the entire effective surface area of all the tubes and plates in the PGRT section, increasing the area increases the size, weight and cost of the PGRT.

Другой параметр в уравнении теплообмена (U) определяется поверхностным коэффициентом передачи тепла между водой/паром и внутренней стенкой трубы, теплопроводностью материала трубы и ее толщиной, а также поверхностным коэффициентом передачи тепла между выхлопными газами и внешней стенкой трубки.Another parameter in the heat transfer equation (U) is determined by the surface coefficient of heat transfer between water / steam and the inner wall of the pipe, the thermal conductivity of the pipe material and its thickness, as well as the surface coefficient of heat transfer between the exhaust gases and the outer wall of the pipe.

Для общих целей определяющим параметром в данном уравнении является поверхностный коэффициент между выхлопными газами и внешней стенкой трубы. Это объясняется тем, что именно здесь существует наибольшая сопротивляемость передаче тепла, и подобно тому, как это характерно для группы последовательно соединенных резисторов в электрической цепи, самое большое сопротивление контролирует поток. Следовательно, факторы, наиболее влияющие на изменение коэффициента передачи тепла, представляют наибольшую проблему для инженеров, проектирующих ПГРТ и выбирающих площади поверхностей для каждой секции.For general purposes, the determining parameter in this equation is the surface coefficient between the exhaust gases and the outer wall of the pipe. This is because it is here that there is the greatest resistance to heat transfer, and just as it is typical for a group of series-connected resistors in an electric circuit, the largest resistance controls the flow. Consequently, the factors most influencing the change in the heat transfer coefficient represent the greatest problem for engineers designing HRSGs and choosing surface areas for each section.

С точки зрения управления, отбор площадей в каждой секции является важным, так как после строительства ПГРТ эти площади уже невозможно изменить, т.е. они становятся фиксированной величиной. Факторами, которые влияют на изменение величины U, являются параметры, изменяющие скорость выхлопных газов на поверхности трубы. Превалирующим отклонением является изменение потока выхлопных газов. Так как газовая турбина является агрегатом постоянного объема, такое изменение имеет место с изменениями температуры окружающего воздуха. Кроме того, оно может происходить с изменением нагрузки газовой турбины. Если бы можно было минимально сократить влияние этих факторов, ПГРТ было бы проще проектировать и оптимизировать для работы в узком диапазоне.From a management point of view, the selection of space in each section is important, since after the construction of the HRSG these areas can no longer be changed, i.e. they become a fixed value. Factors that affect the change in the value of U are parameters that change the speed of exhaust gases on the surface of the pipe. The prevailing deviation is the change in exhaust flow. Since a gas turbine is a constant volume unit, such a change takes place with changes in ambient temperature. In addition, it can occur with a change in the load of the gas turbine. If it were possible to minimize the influence of these factors, PGRT would be easier to design and optimize for work in a narrow range.

Как будет продемонстрировано в примере предпочтительного варианта реализации настоящего изобретения, предложенные система и способ позволяют газовой турбине работать с полной нагрузкой (контроль температуры) в широком диапазоне совокупной нагрузки электростанции с комбинированием циклов. Это заметно отличается от предшествующего уровня техники, который использует изменения в нагрузке газовой турбины для модулирования общей нагрузки электростанции с комбинированием циклов. Поэтому в некоторых эксплуатационных моментах единственные значительные изменения в потоке ПГРТ будут отнесены на счет изменений окружающей температуры (топливо дополнительного горения добавляет менее 1% в поток выхлопного газа). При температуре окружающей среды от -20 до 100°F поток выхлопных газов будет меняться приблизительно на ±13%. А в случае газовой турбины, известной из уровня техники, только одни изменения нагрузки могли бы привести к значительным изменениям потока выхлопных газов. Модель газовой турбины компании General Electric PG7241 (FA) при 55% нагрузки производит только 70% полной нагрузки выхлопных газов. При изменениях в окружающей среде такое изменение в общем потоке может достигать только 61% проектируемых потоков ПГРТ. Такое отличие потока от проектного приводит к неэффективности ПГРТ и требует конструкторских компромиссов для согласования с широким диапазоном эксплуатационных условий.As will be demonstrated in an example of a preferred embodiment of the present invention, the proposed system and method allows a gas turbine to operate at full load (temperature control) over a wide range of the combined load of a power plant with combined cycles. This is markedly different from the prior art, which uses changes in the load of a gas turbine to modulate the total load of a power plant with combined cycles. Therefore, at some operational points, the only significant changes in the HRSG flow will be attributed to changes in the ambient temperature (additional combustion fuel adds less than 1% to the exhaust gas flow). At ambient temperatures of -20 to 100 ° F, the exhaust gas flow will vary by approximately ± 13%. And in the case of a gas turbine, known from the prior art, only one load change could lead to significant changes in the flow of exhaust gases. The General Electric PG7241 (FA) gas turbine model, at 55% load, produces only 70% of the total exhaust gas load. With changes in the environment, such a change in the total flow can reach only 61% of the designed PGRT flows. This difference between the flow and the design leads to the inefficiency of the PGRT and requires design compromises to coordinate with a wide range of operating conditions.

В связи с высокими температурами в ПГРТ, возникающими в результате постоянно поддерживаемого дополнительного горения, логарифмы средней разницы температур, наблюдаемые в ряде вариантов реализации настоящего изобретения, более значительны, чем в предшествующем уровне техники. Следовательно, требуемые площади поверхности уменьшаются, а общий размер ПГРТ может быть меньшим. Это приводит к значительной экономии затрат с точки зрения и строительства и занимаемой площади объекта.Due to the high temperatures in PGRT resulting from constantly maintained additional combustion, the logarithms of the average temperature difference observed in a number of embodiments of the present invention are more significant than in the prior art. Therefore, the required surface areas are reduced, and the total size of the HRSG can be smaller. This leads to significant cost savings in terms of both the construction and the occupied area of the object.

Управление ПГРТPGRT Management

В предшествующем уровне техники возможности управления ПГРТ для балансировки теплопередачи были ограничены. Контроль отвода тепла перегрева в пароперегревателе и промежуточном перегревателе был общим. Дополнительное горение для управления производством пара обычно не используется в связи с его негативным влиянием на производительность и связанными с ним добавочными затратами. В предшествующем уровне техники иногда использовались обводные трубы вокруг некоторых секций экономайзера и питающей воды.In the prior art, PGRT control capabilities for balancing heat transfer have been limited. The control of the heat removal of the superheat in the superheater and the intermediate superheater was common. Additional combustion to control the production of steam is usually not used due to its negative impact on productivity and the associated additional costs. In the prior art, bypass pipes were sometimes used around certain sections of the economizer and feed water.

В некоторых предпочтительных вариантах реализации изобретения производство пара по существу контролируется расходом топлива на дополнительное горение. Большее количество поступившей энергии означает больше выработанного пара. Для более совершенного управления передачей тепла могут быть использованы секции многотрубных горелок, расположенных рядами. Такое расположение позволяет позиционировать подачу топлива (тепла) в более чем одной точке вдоль потока выхлопного газа из ПГРТ и, с учетом ограниченного нагрева и последующего охлаждения секции, в нескольких местах вдоль ПГРТ, служит понижению общих температур ПГРТ (возможно, позволяя избегать сооружения более дорогостоящего водного экрана).In some preferred embodiments of the invention, steam production is essentially controlled by the fuel consumption for additional combustion. More energy input means more steam is generated. For better control of heat transfer, sections of multi-tube burners arranged in rows can be used. This arrangement allows you to position the fuel (heat) supply at more than one point along the exhaust gas flow from the HRSG and, taking into account the limited heating and subsequent cooling of the section, in several places along the HRSG, serves to lower the overall temperatures of the HRSG (possibly avoiding the construction of a more expensive water screen).

Как и в предшествующем уровне техники, в пароперегревателе будут использованы методы отвода тепла перегретого пара, в то же время отвод тепла перегрева в промежуточном перегревателе пара должен быть ограничен аварийным управлением температурами перегретого пара. Температуры перегретого пара могут удерживаться в равновесии за счет тщательного выбора площадей теплообмена в ПГРТ и путем выверки балансировки потока в многопоточной конструкции пароперегревателя. Поток питающей воды через экономайзер высокого давления регулируется по оптимальному соотношению потоков выхлопных газов/питающей воды, так же, как поток в экономайзере низкого давления. В соответствии с данным вариантом реализации ПГРТ, имеющий шесть секций и работающий при одном уровне давления, является гораздо более простым объектом для управления и корректировки, чем 12-секционный котел, работающий с тремя уровнями давления, согласно Фиг.6, иллюстрирующей предшествующий уровень техники.As in the prior art, superheater methods will be used in the superheater to remove the heat of superheated steam, while the heat of superheat in the intermediate steam superheater should be limited by emergency control of superheated steam temperatures. The temperatures of superheated steam can be kept in equilibrium due to the careful selection of heat transfer areas in the HRSG and by reconciling the flow balancing in a multi-threaded superheater design. The flow of feed water through the high-pressure economizer is regulated by the optimal ratio of exhaust gas / feed water flows, just like the flow in the low-pressure economizer. According to this embodiment, the HRSG having six sections and operating at the same pressure level is a much simpler object to control and adjust than the 12-section boiler operating with three pressure levels, according to FIG. 6, illustrating the prior art.

Сравнение ПГРТ - Предпочтительный вариант настоящего изобретения и предшествующий уровень техникиComparison of PGRT - Preferred Embodiment of the Present Invention and Prior Art

ПГРТ в ряде примеров в соответствии с изобретением во многом могут быть похожими на ПГРТ предшествующего уровня техники, в частности в том, что у них имеется большое количество труб для транспортировки питающей воды, регенерации тепла выхлопных газов газовой турбины и передачи его в воду/пар в трубы посредством конвективного теплообмена. Это устройство имеет очень большие размеры. Оба варианта ПГРТ, т.е. вариант настоящего изобретения и известный из уровня техники, размещаются в большом корпусе, направляющем выхлопные газы из выхлопного отверстия газовой турбины в выхлопной стояк ПГРТ. ПГРТ может быть горизонтальным или вертикальным сооружением, в зависимости от требований и механических ограничений конструкции.PGRT in a number of examples in accordance with the invention can be largely similar to PGRT of the prior art, in particular in that they have a large number of pipes for transporting feed water, recovering heat from the exhaust gases of a gas turbine and transferring it to water / steam in pipes through convective heat transfer. This device is very large. Both options PGRT, i.e. a variant of the present invention and known from the prior art, are placed in a large casing directing exhaust gases from the exhaust outlet of a gas turbine into the exhaust riser of the HRSG. PGRT can be a horizontal or vertical structure, depending on the requirements and mechanical limitations of the structure.

Некоторые предпочтительные варианты реализации изобретения, однако, будут использовать только один уровень давления. Это не исключает использование дополнительных уровней давления, просто единый уровень давления наиболее ярко отражает модель предпочтительного режима варианта реализации изобретения. Такой вариант отличается от предшествующего уровня техники, в котором для максимальной регенерации тепла использовался ПГРТ с многоуровневым давлением.Some preferred embodiments of the invention, however, will use only one level of pressure. This does not exclude the use of additional pressure levels, just a single pressure level most clearly reflects the model of the preferred mode of the embodiment of the invention. This option differs from the prior art in which multi-level pressure HRSG was used for maximum heat recovery.

В случае использования единственного уровня давления и проекта, предполагающего постоянно поддерживаемое дополнительное горение, в предпочтительном варианте реализации ПГРТ может требоваться меньшая площадь для теплообмена, чем в предшествующем уровне техники. Это позволит уменьшить габариты, расстояния в зоне обслуживания, массу и стоимость. Однако некоторые сэкономленные средства пойдут на приобретение более жаропрочных материалов и/или возможное сооружение водного экрана в данном варианте ПГРТ.In the case of using a single pressure level and design involving constantly maintained additional combustion, in the preferred embodiment of the HRSG, a smaller area for heat exchange may be required than in the prior art. This will reduce the size, distance in the service area, weight and cost. However, some of the savings will be spent on the purchase of more heat-resistant materials and / or the possible construction of a water screen in this version of PGRT.

При меньшем размере площади полной поверхности в предпочтительном варианте ПГРТ, вероятно, что обратное давление выхлопов, испытываемое газовой турбиной в связи с ПГРТ, будет уменьшено. Это послужит увеличению выработки газовой турбины и ее эффективности. Однако дополнительное горение имеет тенденцию увеличивать это обратное давление, что уменьшало бы некоторые преимущества в работе, достигнутые в результате сниженных ограничений по выхлопным газам.With a smaller total surface area in the preferred HRSG, it is likely that the back pressure of the exhausts experienced by the gas turbine in connection with the HRSG will be reduced. This will serve to increase the production of a gas turbine and its efficiency. However, additional combustion tends to increase this back pressure, which would reduce some of the performance benefits achieved as a result of reduced exhaust restrictions.

Благодаря гибкости, которую придает паровому циклу использование настоящего изобретения, газовые турбины будут работать при полной нагрузке в широком диапазоне полной мощности электростанции с комбинированием циклов. Это обстоятельство позволит обеспечить более постоянный поток в ПГРТ, предусмотреть более оптимальную конструкцию и устранить потери эффективности эксплуатации в условиях частичной нагрузки.Due to the flexibility that the use of the present invention provides for the steam cycle, gas turbines will operate at full load over a wide range of gross power plants with combined cycles. This circumstance will allow to ensure a more constant flow in PGRT, provide for a more optimal design and eliminate losses in operational efficiency under partial load conditions.

При наличии только одного уровня давления условия управления и отслеживания работы ПГРТ в соответствии с изобретением значительно упрощаются. Даже при небольших изменениях потока и/или температур в ПГРТ согласно изобретению возможно вносить небольшие поправки в потоки в секциях питающей воды/пара, компенсирующие эти изменения. При наличии добавочных секций, более значительных изменениях потока выхлопного газа и при менее полной системе контроля известные из уровня техники ПГРТ более подвержены влиянию извне непрерывно меняющихся системных параметров, в противоположность предпочтительному варианту настоящего изобретения, представляющему собой систему с упреждающим регулированием.With only one pressure level, the control and monitoring conditions of the HRSG in accordance with the invention are greatly simplified. Even with small changes in flow and / or temperature in the HRSG according to the invention, it is possible to make small corrections to the flows in the feed water / steam sections to compensate for these changes. With additional sections, more significant changes in the exhaust gas flow, and with a less complete control system, PGRTs known in the art are more susceptible to externally continuously varying system parameters, in contrast to the preferred embodiment of the present invention, which is a proactive control system.

Новая электростанция полностью комбинированного циклаNew fully combined cycle power plant

Новая электростанция, полностью работающая в режиме комбинирования циклов, согласно изобретению похожа на электростанцию из уровня техники, но имеет как небольшие, так и значительные отличия. Далее в сравнении с предшествующим уровнем техники будут рассмотрены основные образцы оборудования, их функционирование, а также влияние затрат.The new power plant, fully operating in a combination cycle mode, according to the invention is similar to the power station of the prior art, but has both small and significant differences. Further, in comparison with the prior art, basic equipment samples, their functioning, and also the impact of costs will be considered.

Газовые турбиныGas turbines

Газовые турбины, используемые в ряде предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения, могут быть стандартными газовыми турбинами, известными из уровня техники. Единственное отличие касается эксплуатационных режимов, относящихся к степени перепада давлений через ПГРТ по предпочтительному варианту реализации изобретения. Базовый двигатель, управляющие механизмы, компоновка и общая организация могут оставаться неизменными в сравнении с предшествующим уровнем техники. Следовательно, в связи с основными деталями оборудования не последует никаких инженерных или конструкторских затрат. Это позволит использовать зарекомендовавшую себя технологию и поддерживать высокий уровень надежности электростанции. Очевидно, что для повышения к.п.д. газовой турбины могут быть применены такие эксплуатационные улучшения газовых турбин, как охлаждение на впуске, охлаждение испарителя и иные подобные способы.Gas turbines used in a number of preferred embodiments of the present invention may be standard gas turbines known in the art. The only difference relates to operating conditions related to the degree of differential pressure through PGRT according to a preferred embodiment of the invention. The basic engine, controls, layout, and overall organization may remain unchanged compared to the prior art. Consequently, in connection with the main details of the equipment, no engineering or design costs will follow. This will allow the use of proven technology and maintain a high level of reliability of the power plant. Obviously, to increase the efficiency gas turbine can be applied operational improvements of gas turbines, such as inlet cooling, evaporator cooling and other similar methods.

Парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ)Heat Recovery Steam Generators (PGRT)

ПГРТ согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения могут иметь меньшие размеры, быть более компактными, работать при одноуровневом давлении, обеспечивать контролируемую теплопередачу и оптимально подходить для постоянно поддерживаемого дополнительного горения. При наличии единого уровня давления, в отличие от многоуровневого режима давления, функционирование некоторых ПГРТ в соответствии с изобретением проще подвергать наблюдению и контролю. Для оптимизации регенерации тепла и производительности цикла для каждых данных эксплуатационных параметров, могут быть использованы механизмы управления, контролирующие интенсивность горения, потоки в секциях, и/или температуру на выходе секции.PGRT according to a preferred embodiment of the present invention can be smaller, more compact, operate at the same pressure level, provide controlled heat transfer and are optimally suited for continuously maintained additional combustion. In the presence of a single pressure level, in contrast to the multi-level pressure mode, the operation of some PGRT in accordance with the invention is easier to monitor and control. To optimize heat recovery and cycle performance for each given operational parameters, control mechanisms that control the combustion rate, flows in the sections, and / or temperature at the outlet of the section can be used.

При эксплуатационной гибкости, заложенной в паровой цикл, газовые турбины смогут функционировать при полной нагрузке в широком диапазоне нагрузок электростанции, обеспечивая постоянство потока выхлопных газов в ПГРТ и, таким образом, обеспечивая более эффективную эксплуатацию. Меньшее количество уровней давления, более высокая производительность цикла, более согласованная эксплуатация, - все это приводит к повышению надежности и снижению затрат на эксплуатацию и техобслуживание.With the operational flexibility embedded in the steam cycle, gas turbines will be able to operate at full load in a wide range of power plant loads, ensuring a constant flow of exhaust gases in the HRSG and, thus, ensuring more efficient operation. Fewer pressure levels, higher cycle throughputs, more consistent operation — all result in increased reliability and lower operating and maintenance costs.

Потребность в более жаропрочных материалах или, возможно, в строительстве водного экрана для ряда случаев реализации ПГРТ в соответствии с настоящим изобретением приведет к увеличению начальной стоимости, а также увеличит затраты на эксплуатацию и техобслуживание. Сомнительно, что такое увеличение затрат будет выше размера средств, сэкономленных в результате устранения лишних уровней давления, связанных с ними контрольных устройств и дополнительной площади для теплообмена.The need for more heat-resistant materials or, possibly, for the construction of a water screen for a number of PGRT implementation cases in accordance with the present invention will lead to an increase in the initial cost, as well as an increase in operating and maintenance costs. It is doubtful that such an increase in costs will be higher than the amount of money saved as a result of eliminating unnecessary pressure levels, associated control devices and additional heat transfer area.

В настоящее время не были описаны ПГРТ, подобные тем, которые демонстрируют преимущества настоящего изобретения. Однако традиционные котлы паровых электростанций построены на десятилетия, и, конечно, такая технология может применяться в некоторых вариантах ПГРТ согласно изобретению. Кроме того, многие ПГРТ были построены для работы в режиме многоуровневого давления или единого уровня давления, а также многие из них построены в расчете на некоторую степень дополнительного горения (включая сооружение водного экрана от высоких температур). Из всех основных компонентов при реализации согласно изобретению этот потребует наибольших усилий инженеров и проектировщиков. Однако, как было указано ранее, ПГРТ с постоянно поддерживаемым горением и единым уровнем давления является новой концепцией, но не выходит за пределы технологической практики и является доступным для разработки специалистами в данной области.Currently, no PGRT has been described similar to those that demonstrate the advantages of the present invention. However, traditional boilers of steam power plants have been built for decades, and, of course, this technology can be applied in some versions of PGRT according to the invention. In addition, many HRSGs were built to operate in multilevel pressure or a single pressure level, and many of them were designed for some degree of additional combustion (including the construction of a water screen from high temperatures). Of all the main components in the implementation according to the invention, this will require the greatest efforts of engineers and designers. However, as mentioned earlier, PGRT with constantly maintained combustion and a uniform pressure level is a new concept, but does not go beyond technological practice and is available for development by specialists in this field.

Паровые турбиныSteam turbines

В предшествующем уровне техники паровые турбины проектировались в основном по теплу, регенерированному ПГРТ. Для больших электростанций с комбинированием циклов действует эмпирическое правило, согласно которому мощность паровой турбины достигает приблизительно 50% выработки комбинированной газовой турбины. При использовании дополнительного горения этот процент может увеличиваться, но в связи с негативным влиянием на производительность, которое наблюдалось при использовании аппаратных средств, систем и способов предшествующего уровня техники, такое увеличение обычно было небольшим. В информационной брошюре General Electric “Производственная линия и эксплуатация с комбинированием циклов компании General Electric” Дэвида Л. Чейса, Лероя О. Томлинсона, Томаса Л. Дэвидсона, Рауба У. Смита и Криса Е. Маслака (General Electric informative document GER-3574F (1996), entitled "General Electric Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy О. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak), согласно Таблице 14 следует, что дополнительное горение в ПГРТ может увеличивать выработку электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники на 28%, но только при условии увеличения на 9% тепловой мощности всего комбинированного цикла (при потреблении определенного топлива).In the prior art, steam turbines were designed primarily for the heat generated by the HRSG. For large power plants with combined cycles, an empirical rule applies, according to which the power of a steam turbine reaches approximately 50% of the output of a combined gas turbine. With the use of additional combustion, this percentage can increase, but due to the negative effect on productivity that was observed when using hardware, systems and methods of the prior art, such an increase was usually small. General Electric's informative document GER-3574F (General Electric informative document GER-3574F (General Electric informative document GER-3574F, General Electric informative document, General Electric informative document GER-3574F, General Electric informative document, General Electric informative document GER-3574F 1996), entitled "General Electric Combined-Cycle Product Line and Performance" by David L. Chase, Leroy O. Tomlinson, Thomas L. Davidson, Raub W. Smith, and Chris E. Maslak), according to Table 14, that additional combustion in PGRT can increase the output of a power plant by combining cycles in the prior art by 28%, but only if the heat is increased by 9% oic total power of the combined cycle (when a certain fuel consumption).

В предшествующем уровне техники основное внимание уделялось ПГРТ с несколькими уровнями давления и паровым турбинам, использующим такой пар. Следовательно, эти паровые турбины характеризовались относительно небольшими потоками высокого давления, средней величины потоками промежуточного давления в связи с добавлением пара промежуточного давления из ПГРТ и относительно большими потоками высокого давления в связи с дальнейшим добавлением пара низкого давления из ПГРТ. Это приводит к более низким коэффициентам объемного расхода для секций высокого и промежуточного давления паровой турбины, а также к потенциальным проблемам с нагрузкой на торцевом выхлопе секций низкого давления. Кроме того, сами паровые циклы были несколько неэффективны, так как пар промежуточного и низкого давления, выработанный ПГРТ, имеет меньший запас потенциальной энергии для осуществления той работы, которую выполняет пар высокого давления. В итоге потоки пара промежуточного и низкого давления негативно изменяют требования к нагрузке на торцевом выхлопе паровой турбины, а также к отводу тепла.In the prior art, the main focus was on PGRT with multiple pressure levels and steam turbines using such steam. Therefore, these steam turbines were characterized by relatively small high-pressure flows, medium-sized intermediate-pressure flows due to the addition of intermediate-pressure steam from PGRT and relatively large high-pressure flows due to the further addition of low-pressure steam from PGRT. This leads to lower volumetric flow rates for the high and intermediate pressure sections of the steam turbine, as well as potential problems with the load on the end exhaust of the low pressure sections. In addition, the steam cycles themselves were somewhat inefficient, since the intermediate and low pressure steam generated by the HRSG has a smaller potential energy reserve for the work that high pressure steam performs. As a result, intermediate and low pressure steam flows negatively change the requirements for the load on the end exhaust of the steam turbine, as well as the heat removal.

В связи с проблемами коэффициентов объемного расхода и соотношений стоимости/преимуществ номинальные значения давления на впуске для паровых турбин электростанций с комбинированием циклов ограничивались величиной приблизительно 1800 фунтов на кв. дюйм. При применении ПГРТ с несколькими уровнями давления отпала необходимость в использовании традиционного нагревания питающей воды, так как в ПГРТ всегда присутствовало избыточное тепло для выполнения данной функции. Таким образом, повышение производительности парового цикла за счет усовершенствования именно этих признаков обычно не рассматривается.Due to problems with volumetric flow rates and cost / benefit ratios, inlet pressure ratings for steam turbines of combined cycle power plants were limited to approximately 1800 psi. inch. When using PGRT with several pressure levels, there was no need to use traditional heating of feed water, since PGRT always had excess heat to perform this function. Thus, increasing the productivity of the steam cycle through the improvement of these particular characteristics is usually not considered.

Паровая турбина, используемая согласно предпочтительному варианту изобретения, может иметь большие размеры и быть более эффективной по сравнению с уровнем техники. Паровая турбина, используемая в соответствии с изобретением, может обеспечивать эффективность приблизительно в 0,75-2,25 (или более) раз большую, чем общая мощность газовой турбины. При эквивалентном количестве газовых турбин и ПГРТ, обеспечивающих горение при температуре до 1400°F, общая мощность электростанции с комбинированием циклов может возрасти в 2,00 раза или более, по сравнению с предшествующим уровнем техники. Это приравнивается к использованию паровой турбины в ряде случаев, соответствующих предпочтительным вариантам изобретения, которые могут быть рассчитаны на номинальные значения в 4,50 раз больше таких же значений паровой турбины предшествующего уровня техники (для паровой турбины, которая была связана с теми же газовыми турбинами).A steam turbine used according to a preferred embodiment of the invention can be large and more efficient than the prior art. The steam turbine used in accordance with the invention can provide an efficiency of about 0.75-2.25 (or more) times greater than the total power of the gas turbine. With an equivalent number of gas turbines and PGRT, providing combustion at temperatures up to 1400 ° F, the total capacity of the power plant with combined cycles can increase by 2.00 times or more, compared with the prior art. This is equivalent to the use of a steam turbine in a number of cases corresponding to preferred embodiments of the invention, which can be designed for nominal values 4.50 times greater than the same values of a steam turbine of the prior art (for a steam turbine that was connected to the same gas turbines) .

Паровая турбина в соответствии с изобретением может быть похожа на паровую турбину из предшествующего уровня техники, однако, вероятнее всего, у нее будут более высокие характеристики по входному давлению. Кроме того, паровая турбина в соответствии с предпочтительным вариантом изобретения может предполагать использование пара, экстрагированного за счет нагревания питающей воды, что увеличит производительность парового цикла. Без использования пара промежуточного и низкого давления от ПГРТ поток пара в секцию высокого давления паровой турбины при стандартных условиях будет максимальным через любую секцию. Это увеличит эффективность по объемным расходам в секции высокого давления. С этой точки зрения, пар будет извлекаться из паровой турбины для направления в различные нагреватели питающей воды, подогреватели топлива, меньшую по размеру паровую турбину, работающую от питающего насоса котла и/или для иных видов работ в рамках электростанции. Эта операция сокращает поток у торцевого выхлопа, уменьшая возможность перегрузок торцевого выхлопа паровой турбины. Все эти признаки являются типичными для паровой турбины, которая использовалась бы на традиционной паровой электростанции.The steam turbine in accordance with the invention may be similar to the steam turbine of the prior art, however, most likely, it will have higher characteristics of the input pressure. In addition, the steam turbine in accordance with a preferred embodiment of the invention may involve the use of steam extracted by heating the feed water, which will increase the productivity of the steam cycle. Without the use of intermediate and low pressure steam from PGRT, the steam flow into the high pressure section of a steam turbine under standard conditions will be maximum through any section. This will increase the volumetric efficiency in the high pressure section. From this point of view, the steam will be removed from the steam turbine to be directed to various feed water heaters, fuel heaters, a smaller steam turbine operating from the boiler feed pump and / or for other types of work within the power plant. This operation reduces the flow at the end exhaust, reducing the possibility of overloading the end exhaust of the steam turbine. All of these features are typical of a steam turbine that would be used in a traditional steam power station.

В связи с большим увеличением номинальных значений (приблизительно от 50% всей мощности газовой турбины до 100-200% всей мощности газовой турбины) паровой турбине могут потребоваться более крупные лопасти последнего каскада и/или большее количество секций низкого давления. Это повлечет относительно небольшое увеличение затрат по мощности в сравнении с затратами на привлечение дополнительных газовых турбин, ПГРТ, переключателей, трансформаторов, фундамента и т.д., которые потребовались бы для увеличения мощности в рамках предшествующего уровня техники.Due to the large increase in the nominal values (from about 50% of the total power of the gas turbine to 100-200% of the total power of the gas turbine), the steam turbine may require larger blades of the last cascade and / or more low-pressure sections. This will entail a relatively small increase in power costs compared to the cost of attracting additional gas turbines, PGRT, switches, transformers, foundations, etc., which would be required to increase power in the framework of the prior art.

За исключением большей пропускной способности, высоких номинальных рабочих параметров, улучшенной эффективности и большего комплекта лопастей и/или дополнительных секций низкого давления паровая турбина может выглядеть похожей на паровую турбину в предшествующем уровне техники. Обычно она проектируется для извлечения потока пара из турбины для традиционного нагревания питающей воды, а не для привлечения потока в турбину из секций промежуточного и низкого давления ПГРТ. Однако паровая турбина чрезвычайно похожа на паровую турбину с такими же рабочими параметрами и условиями впуска, как в современных традиционных паровых электростанциях. Поэтому новый способ комбинирования циклов позволяет использовать больше традиционных и более эффективных аппаратных средств паровой турбины и более эффективные циклы паровой турбины. Это максимально увеличивает производительность нижнего цикла, значительно увеличивает мощность, уменьшает общие размеры электростанции с комбинированием циклов и стоимость монтажа оборудования без каких-либо потерь по надежности.With the exception of greater throughput, higher nominal operating parameters, improved efficiency and a larger set of blades and / or additional sections of low pressure, a steam turbine may look like a steam turbine in the prior art. Typically, it is designed to extract a steam stream from a turbine for traditional heating of the feed water, and not to draw the stream into the turbine from the intermediate and low pressure sections of the HRSG. However, a steam turbine is extremely similar to a steam turbine with the same operating parameters and inlet conditions as in modern traditional steam power plants. Therefore, the new cycle combining method allows the use of more traditional and more efficient steam turbine hardware and more efficient steam turbine cycles. This maximizes the productivity of the lower cycle, significantly increases power, reduces the overall size of the power plant with combined cycles and the cost of installing equipment without any loss in reliability.

Режим работыMode of operation

При высоком уровне дополнительного горения (больших соотношениях потока паровой турбины/газовой турбины) и способности варьировать эти параметры горения варианты электростанции в соответствии с изобретением представляют модель, в которой нижний цикл гораздо более независим, чем в предшествующем уровне техники. Благодаря этому явлению, а также тому, что, с точки зрения выбросов и производительности, лучше управлять газовыми турбинами при полной нагрузке, большинство вариантов нагрузки электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением достигается путем изменения уровня дополнительного горения и, следовательно, нагрузки паровой турбины, в то время как газовые турбины продолжают работать в режиме полной нагрузки или близко к полной нагрузке. Это отличается от предшествующего уровня техники, когда дополнительное горение использовалось для получения только небольшого увеличения выработки энергии электростанцией в пик эксплуатации, а управление общей нагрузкой электростанции осуществлялось в основном за счет изменения нагрузки газовой турбины.With a high level of additional combustion (large flow ratios of a steam turbine / gas turbine) and the ability to vary these combustion parameters, the options of a power plant in accordance with the invention represent a model in which the lower cycle is much more independent than in the prior art. Due to this phenomenon, as well as the fact that, from the point of view of emissions and performance, it is better to control gas turbines at full load, most load options of a power plant with combined cycles in accordance with the invention are achieved by changing the level of additional combustion and, therefore, the load of a steam turbine, while gas turbines continue to operate at full load or close to full load. This differs from the prior art when additional combustion was used to obtain only a small increase in power generation by the power plant during peak operation, and the total load of the power plant was controlled mainly by changing the load of the gas turbine.

В некоторых предпочтительных вариантах изобретения при совокупной полной нагрузке электростанции газовые турбины будут функционировать при полной нагрузке, при этом либо ПГРТ достигнут своего предела по температуре горения, либо паровая турбина достигнет своего предела по давлению на впуске. С этой точки зрения, при уменьшении нагрузки электростанции дополнительное горение также сокращается, уменьшается образование пара и, следовательно, нагрузка паровой турбины также уменьшается. Процесс уменьшения нагрузки продолжается до момента, когда соответствующие потоки не могут больше поддерживаться в ПГРТ.In some preferred embodiments of the invention, at a combined full load of a power plant, gas turbines will operate at full load, with either the HRSG reaching its limit on the combustion temperature or the steam turbine reaching its limit on the inlet pressure. From this point of view, with a decrease in the power plant load, additional combustion is also reduced, steam generation is reduced, and therefore the steam turbine load is also reduced. The process of reducing the load continues until the moment when the corresponding flows can no longer be supported in PGRT.

После того как соответствующие потоки станет невозможно поддерживать в ПГРТ, паровая турбина и/или ПГРТ достигнут эксплуатационного предела. На этом этапе будет необходимо уменьшить нагрузку газовой турбины или нескольких газовых турбин. После сокращения всей нагрузки на газовые турбины может быть увеличена нагрузка на паровую турбину для приведения системы в соответствие с требованиями по нагрузке. Иллюстрация предполагаемого режима эксплуатации с несколькими газовыми турбинами дана на Фиг.43. Такой способ управления может быть использован для уменьшения нагрузки совокупной полной нагрузки электростанции до нижнего предела ПГРТ и/или паровой турбины только путем изменения уровня дополнительного горения и за счет функционирования газовой турбины с полной нагрузкой. После достижения этого нижнего предела одну газовую турбину можно разгрузить и тогда соответствующий ей ПГРТ начнет производить меньше пара. Соответственно, другая газовая турбина может оставаться в режиме полной нагрузки или близко к этому уровню, а соответствующий ей ПГРТ может увеличить уровень дополнительного горения. Это приводит к большему поступлению пара в паровую турбину. Суммарным результатом является переходная зона функционирования, когда на одной газовой турбине нагрузка уменьшается, в то время как паровая турбина компенсирует большую часть этого уменьшения нагрузки. После уменьшения общей нагрузки электростанции до уровня, достаточного для того, чтобы миновать эту переходную зону функционирования, одна газовая турбина выводится из операции (консервируется), при этом оставшиеся ПГРТ будут продолжать осуществлять дополнительное горение на высоком уровне, а паровая турбина будет работать со значительно большей нагрузкой, чем верхний предел переходной зоны. Такая схема функционирования позволяет газовым турбинам оставаться в режиме полной нагрузки или в режиме, близком к этому уровню, в широком диапазоне совокупной ожидаемой выработки электростанции (приблизительно от 50 до 100% производительности) и лишь с небольшой долей, приходящейся на функционирование в переходной зоне, когда одна газовая турбина переводится из режима полной нагрузки в нерабочее состояние. В соответствии с Фиг.43 такая переходная зона находится между 70 и 80% нагрузки электростанции.After the respective flows become impossible to maintain in the HRSG, the steam turbine and / or HRSG have reached the operational limit. At this stage, it will be necessary to reduce the load of a gas turbine or several gas turbines. After reducing the entire load on gas turbines, the load on the steam turbine can be increased to bring the system in line with the load requirements. An illustration of the intended operating mode with several gas turbines is given in FIG. 43. This control method can be used to reduce the load of the total full load of the power plant to the lower limit of the HRSG and / or steam turbine only by changing the level of additional combustion and due to the functioning of the gas turbine with full load. After reaching this lower limit, one gas turbine can be unloaded and then the corresponding PGRT will begin to produce less steam. Accordingly, another gas turbine may remain at full load or close to this level, and the corresponding PGRT can increase the level of additional combustion. This results in more steam entering the steam turbine. The overall result is a transitional zone of operation when the load on one gas turbine decreases, while the steam turbine compensates for most of this decrease in load. After reducing the total load of the power plant to a level sufficient to bypass this transitional zone of operation, one gas turbine is taken out of operation (preserved), while the remaining HRSGs will continue to carry out additional combustion at a high level, and the steam turbine will operate at a significantly higher load than the upper limit of the transition zone. Such a functioning scheme allows gas turbines to remain in full load mode or in a mode close to this level, in a wide range of the total expected generation of the power plant (from about 50 to 100% of capacity) and only with a small fraction attributable to operation in the transition zone, when one gas turbine is transferred from full load to idle state. In accordance with FIG. 43, such a transition zone is between 70 and 80% of the power plant load.

Примерная модель структуры управления, выполняющей вышеописанные процедуры, концептуально продемонстрирована на графиках Фиг.16-19. Более подробно описание этой модели приводится далее в настоящем документе.An exemplary model of the control structure that performs the above procedures is conceptually shown in the graphs of Figs. 16-19. A more detailed description of this model is given later in this document.

ЭксплуатацияExploitation

Так как уровень дополнительного горения сравним с предшествующим уровнем техники, производительность паровой турбины значительно увеличивается. При использовании ПГРТ, способных выдерживать на впуске температуры, достигающие 2400°F, паровая турбина может быть спроектирована согласно проекту (для примера) из расчета достижения номинальных показателей приблизительно в 2,25 раза выше мощности всех газовых турбин вместе взятых. Это значительно выше уровня, достигаемого паровыми турбинами из предшествующего уровня техники, где в подобных вариантах номинальная мощность паровой турбины обычно достигала уровня в 0,4-0,6 раз выше мощности всех газовых турбин. Это существенно повышает мощность данной электростанции, поскольку паровая турбина может теперь иметь показатели, в 4,50 раз превышающие те же показатели паровой турбины предшествующего уровня техники. Также, как было указано ранее, функциональная гибкость, достижимая в этом случае, позволяет газовым турбинам работать при полной нагрузке в широком диапазоне общих мощностей электростанции. Это увеличивает производительность электростанции при работе с частичной нагрузкой и понижает уровень выбросов NOX для газовых турбин, для которых обычно характерно повышение уровня таких выбросов при работе с частичной нагрузкой.Since the level of additional combustion is comparable with the prior art, the performance of a steam turbine is significantly increased. When using PGRT capable of withstanding temperatures reaching 2400 ° F at the inlet, the steam turbine can be designed according to the design (for example) on the basis of achieving rated values approximately 2.25 times higher than the power of all gas turbines combined. This is significantly higher than the level achieved by steam turbines from the prior art, where in such variants the nominal power of a steam turbine usually reached a level of 0.4-0.6 times higher than the power of all gas turbines. This significantly increases the power of this power plant, since a steam turbine can now have indicators 4.50 times higher than the same parameters of a steam turbine of the prior art. Also, as mentioned earlier, the functional flexibility achievable in this case allows gas turbines to operate at full load over a wide range of total plant capacities. This increases the capacity of the power plant during partial load operation and reduces the NOX level for gas turbines, which are typically characterized by an increase in such emissions during partial load operation.

При данном увеличении мощности по сравнению с предшествующим уровнем техники, увеличенной функциональной гибкости и уменьшенной стоимости на киловатт энергии данная модель электростанции с комбинированием циклов, с функциональной и экономической точек зрения, более приспособлена для обеспечения современных требований к энергии при сезонных пиковых нагрузках. Кроме того, незначительные функциональные переменные (такие, как изоляция нагревателей питающей воды или функционирование под давлением на впуске секции высокого давления на 5% выше номинального) позволит в этом варианте реализации изобретения достигнуть даже большей мощности, чем номинальная, лишь при незначительном ущербе для нормы выработки. Так как сезонные пиковые периоды длятся лишь несколько дней в году, предложенный способ является недорогим для повышения в эти периоды выработки энергии (которая может быть продана по очень высокой цене при минимальной себестоимости). Увеличенный доход более чем компенсирует недостатки и повышенную стоимость топлива, которая также имеет место во время сезонных пиковых нагрузок. Таким образом, создается экономически выгодная альтернатива для проектировщиков электростанций и коммунальных служб энергоснабжения. Как сказано в POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929, March/April 1999, р. 14):With this increase in power compared with the prior art, increased functional flexibility and reduced cost per kilowatt of energy, this model of a power plant with combined cycles, from a functional and economic point of view, is more suited to meet modern energy requirements at seasonal peak loads. In addition, insignificant functional variables (such as insulation of feed water heaters or functioning under pressure at the inlet of the high-pressure section by 5% higher than the nominal) will allow in this embodiment to achieve even greater power than the nominal, with only minor damage to the production rate . Since seasonal peak periods last only a few days a year, the proposed method is inexpensive to increase energy production during these periods (which can be sold at a very high price at the lowest cost). Increased income more than compensates for the shortcomings and increased cost of fuel, which also occurs during seasonal peak loads. This creates a cost-effective alternative for designers of power plants and utilities. As stated in POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929, March / April 1999, p. 14):

"Резервные пределы опущены по всей стране... Согласно курсу по Среднему Западу в прессе сообщаются следующие цифры: выше $7000/МВт ($7.00/кВт·ч), и также сообщается курс $6000/МВт ($6.00/кВт·ч), имевший место в Алберте...”"Reserve limits are omitted throughout the country ... According to the Midwest exchange rate, the following figures are reported in the press: above $ 7000 / MW ($ 7.00 / kW · h), and the rate of $ 6000 / MW ($ 6.00 / kW · h) reported in Alberta ... ”

Иные промышленные вестники приводят также данные о ценах на уровне $10000/МВт ($10.00/кВт·ч).Other industry newsletters also cite price data at the level of $ 10,000 / MW ($ 10.00 / kWh).

Хотя согласно предшествующему уровню техники дополнительное горение уменьшает общую тепловую производительность комбинированного цикла, приведенный пример реализации изобретения показал, что такое заявление является неверным. За счет использования добавки топлива в режиме дополнительного горения с целью не только прибавления теплоты, но и для наращивания ресурсов нижнего цикла, становится возможным достигать или превышать общую эффективность комбинированных циклов предшествующего уровня техники. Это происходит за счет использования более высокого давления пара на впуске, больших и более производительных паровых турбин, превращения пара низкого давления, используемого в предшествующем уровне техники, в пар высокого давления и использования традиционного нагревания питающей воды. Эксплуатация при частичной нагрузке также улучшается, поскольку, согласно изобретению газовые турбины будут работать в режиме полной нагрузки (при которой они наиболее эффективны) в течение большей части времени их эксплуатации (за исключением времени, когда они выведены из рабочего состояния).Although according to the prior art, additional combustion reduces the overall thermal performance of the combined cycle, the above example of the invention showed that such a statement is incorrect. Due to the use of fuel additives in the additional combustion mode with the aim of not only adding heat, but also to increase the resources of the lower cycle, it becomes possible to achieve or exceed the overall efficiency of the combined cycles of the prior art. This is due to the use of higher inlet steam pressure, larger and more productive steam turbines, the conversion of the low pressure steam used in the prior art to high pressure steam, and the use of conventional heating feed water. Partial load operation is also improved because, according to the invention, gas turbines will operate at full load (at which they are most efficient) for most of their operating time (except when they are taken out of service).

Работа при частичной нагрузкеPartial load operation

При уменьшении системной нагрузки необходимо уменьшить нагрузку электростанции с комбинированием циклов для приведения в соответствие требованиям электрической системы. В предшествующем уровне техники это достигалось путем сокращения нагрузки газовых турбин. Такой режим контроля за нагрузкой приводит к спаду производительности газовых турбин, а также общей производительности электростанций с комбинированием циклов. В некоторых вариантах настоящего изобретения, однако, управление нагрузкой осуществляется посредством изменения уровня дополнительного горения. Таким образом, газовые турбины остаются на полном ходу или близко к этому уровню, оставаясь наиболее эффективными и имеющими наименьший уровень выбросов вредных веществ. Основная часть изменения нагрузки в этом случае происходит за счет уменьшения количества выработанного пара и последующего уменьшения мощности паровой турбины. Такой режим работы обеспечит повышение уровня производительности при работе с частичной нагрузкой для всей электростанции с комбинированием циклов, а также сокращение техобслуживания газовых турбин, как результат сокращения циклического повторения термических операций (собственные температуры газовой турбины обычно изменяются при изменении ее нагрузки).When reducing the system load, it is necessary to reduce the load of the power plant with a combination of cycles to bring into line with the requirements of the electrical system. In the prior art, this was achieved by reducing the load of gas turbines. This mode of load control leads to a decrease in the performance of gas turbines, as well as the overall performance of power plants with combined cycles. In some embodiments of the present invention, however, the load is controlled by changing the level of additional combustion. Thus, gas turbines remain at full speed or close to this level, remaining the most efficient and having the lowest level of emissions of harmful substances. The main part of the load change in this case is due to a decrease in the amount of steam generated and a subsequent decrease in the power of the steam turbine. This mode of operation will provide an increase in the level of productivity when working with a partial load for the entire power plant with combined cycles, as well as a reduction in the maintenance of gas turbines, as a result of a reduction in the cyclic repetition of thermal operations (the natural temperatures of a gas turbine usually change when its load changes).

На Фиг.33 при некоторых уровнях частичной нагрузки отражены уровни ожидаемой производительности традиционных электростанций с комбинированием циклов, известных из уровня техники, наряду с производительностью, которая может быть достигнута при использовании некоторых предпочтительных вариантов в соответствии с настоящим изобретением. Как видно из этих графиков, при уменьшении нагрузки от 100% эксплуатационные показатели комбинированных циклов в предшествующем уровне техники постоянно снижаются от оптимального уровня. Однако для некоторых предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения наблюдается увеличение производительности при начальном уменьшении нагрузки от 100% до момента, когда она начнет опускаться ниже приблизительно 80%. Такая информация о производительности при частичной нагрузке свидетельствует о том, что в случае реализации настоящего изобретения обеспечивается значительная экономия топлива по сравнению с традиционным комбинированием циклов в предшествующем уровне техники.On Fig at some levels of partial load reflects the levels of expected performance of conventional power plants with combined cycles, known from the prior art, along with the performance that can be achieved using some of the preferred options in accordance with the present invention. As can be seen from these graphs, when reducing the load from 100%, the operational performance of combined cycles in the prior art is constantly reduced from the optimal level. However, for some preferred embodiments of the present invention, there is an increase in productivity with an initial decrease in load from 100% until it begins to drop below about 80%. Such partial load performance information indicates that when implementing the present invention, significant fuel economy is achieved compared to the traditional combination of cycles in the prior art.

Эксплуатация при максимальной нагрузкеOperation at maximum load

Настоящее изобретение особенно подходит для обеспечения энергией в периоды пиковой нагрузки. В эти периоды выработка энергии на электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением может временно превосходить уровень своей номинальной нагрузки. Как было указано ранее, это временное превышение нагрузки по сравнению с номинальной может обеспечивать огромное экономическое преимущество, так как энергию в пик сезона можно реализовывать по цене в сотни раз выше обычной цены за энергию, произведенную в обычное время. Следовательно, имеется большой стимул для владельцев электростанций производить такую энергию. Как упоминалось ранее, в предшествующем уровне техники эту проблему пытались решить путем использования дополнительного горения в ПГРТ. Это не только уменьшает эффективность традиционного комбинирования цикла при пиковых нагрузках, известного из уровня техники, но, в связи с потребностью в дополнительной мощности паровой турбины, уменьшается также его базовая производительность при работе в режиме обычной нагрузки вне пика сезона (в отсутствие дополнительного горения паровая турбина уже работает при частичной нагрузке). Таким образом, способность увеличить в пик сезона выработку энергии традиционными электростанциями с комбинированием циклов в условиях различных нагрузок сопровождается потерями общей производительности электростанции.The present invention is particularly suitable for providing energy during peak periods. During these periods, power generation in a combined cycle power plant in accordance with the invention may temporarily exceed its rated load. As mentioned earlier, this temporary excess of load compared to the nominal can provide a huge economic advantage, since energy at peak season can be sold at a price hundreds of times higher than the usual price for energy produced in normal time. Therefore, there is a great incentive for power plant owners to produce such energy. As mentioned earlier, in the prior art this problem was tried to be solved by using additional combustion in HRSG. This not only reduces the efficiency of the traditional combination of the cycle at peak loads, known from the prior art, but, due to the need for additional power of the steam turbine, its basic performance also decreases when operating under normal load outside the peak season (in the absence of additional combustion, the steam turbine already working at partial load). Thus, the ability to increase the energy production of traditional power plants at the peak of the season with combined cycles under different loads is accompanied by losses in the total capacity of the power plant.

Мощность паровой турбины может увеличиваться при помощи увеличения массы потока. Соответственно, технология, увеличивающая поток пара через паровую турбину, обычно увеличивает ее общую мощность. Поскольку настоящее изобретение говорит преимущественно о цикле Ренкайна, комбинированный цикл как таковой увеличивает воздействие паровой турбины на более серьезные изменения общей мощности электростанции с комбинированием циклов. Следовательно, это влияние на выработку паровой турбины является намного более действенным, чем в газотурбинных электростанциях комбинированного цикла, как это следует из предшествующего уровня техники.The power of a steam turbine can be increased by increasing the mass of the stream. Accordingly, a technology that increases the flow of steam through a steam turbine usually increases its total power. Since the present invention primarily speaks of the Rankine cycle, the combined cycle as such increases the effect of the steam turbine on more serious changes in the total power of the power plant with combined cycles. Therefore, this effect on the production of a steam turbine is much more effective than in combined cycle gas turbine power plants, as follows from the prior art.

Согласно таблице, приведенной ниже, при увеличении давления также увеличивается поток пара.According to the table below, as the pressure increases, the steam flow also increases.

Примеры увеличения объемов пиковой энергииExamples of increasing peak energy Входное давление, psiaInlet Pressure, psia Входная температура, °FInlet temperature ° F Удельный объем, ft3/IbSpecific Volume, ft 3 / Ib Поток массы/пара, Ib/hrMass / vapor flow, Ib / hr Объемный расход, ft3/hrVolumetric flow, ft 3 / hr Увеличение потока пара, (новый/прежний)Steam flow increase, (new / old) 24002400 10501050 0,3382450.338245 20000002,000,000 676490676490 базисbasis 25202520 10501050 0,3203490,320349 21117302111730 676490676490 1,0558651,055865 25202520 10001000 0,3040210.304021 22251432225143 676490676490 1,1125711,112571 25202520 950950 0,2868720.286872 23581622358162 676490676490 1,1790811,179081 26402640 10001000 0,2882360.288236 23469982346998 676490676490 1,1734991,173499 26402640 950950 0,2715540.271554 24911832491183 676490676490 1,2455911,245591

Если такое увеличение давления происходит вместе с соответствующим уменьшением входной температуры пара, возможно достижение дальнейшего увеличения массы потока. Вместе с этим изолирование нагревателей питающей воды обеспечит направление большего потока пара на выхлоп паровой турбины, далее увеличивая ее выработку. В отличие от предшествующего уровня техники, такой способ обеспечивает возможность увеличить номинальную пиковую мощность электростанции с комбинированием циклов и внедрить настоящее изобретение без ущерба для общей производительности электростанции при эксплуатации при обычных непиковых нагрузках.If such an increase in pressure occurs together with a corresponding decrease in the inlet temperature of the steam, a further increase in the mass of the flow is possible. At the same time, isolating the feed water heaters will ensure the direction of a larger steam flow to the exhaust of the steam turbine, further increasing its production. Unlike the prior art, this method provides the opportunity to increase the nominal peak power of the power plant with combined cycles and implement the present invention without compromising the overall performance of the power plant during operation under normal off-peak loads.

СтоимостьCost

Значительным преимуществом реализации в соответствии с данным предпочтительным вариантом является экономия затрат. Как отмечено ранее, электростанция на ПГРТ с проектными входными температурами до 2400°F благодаря дополнительному горению может легко использовать паровую турбину мощностью в 2,0 раза выше, чем совокупная мощность газовых турбин. Поэтому полная мощность электростанции составляет величину, в 3,0 раза большую (2,0 паровых турбины + 1,0 газовая турбина) мощности газовых турбин. Электростанция с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники включает паровую турбину с номинальной мощностью приблизительно в 0,5 раз больше совокупной мощности газовых турбин. Поэтому соотношение мощностей по существу равно 2,0 (3,0/1,5). Другими словами, электростанция с комбинированием циклов в соответствии с изобретением имеет мощность на 100% выше, чем в предшествующем уровне техники. Пример такого увеличения продемонстрирован на Фиг.39, где показан баланс тепла для варианта на 1040 МВт, использующего две газовые турбины промышленного стандарта модели GE PG7241FA и большую по размеру паровую турбину. На Фиг.22 показан комбинированный цикл из предшествующего уровня техники, использующий тот же состав и модель газовых турбин и стандартную меньшую по размеру паровую турбину, рассчитанную на номинальную мощность 520 МВт.A significant advantage of the implementation in accordance with this preferred option is cost savings. As noted earlier, a PGRT power plant with design inlet temperatures up to 2400 ° F due to additional combustion can easily use a steam turbine with a capacity of 2.0 times higher than the total capacity of gas turbines. Therefore, the total capacity of the power plant is 3.0 times greater (2.0 steam turbines + 1.0 gas turbine) of gas turbine power. The combined cycle power plant in the prior art includes a steam turbine with a rated power of approximately 0.5 times the total capacity of gas turbines. Therefore, the power ratio is essentially 2.0 (3.0 / 1.5). In other words, a combined cycle power plant according to the invention has a power 100% higher than in the prior art. An example of such an increase is shown in FIG. 39, which shows the heat balance for a 1040 MW version using two industrial standard gas turbines of the GE PG7241FA model and a larger steam turbine. On Fig shows a combined cycle from the prior art, using the same composition and model of gas turbines and a standard smaller steam turbine, designed for a nominal power of 520 MW.

Отсюда следует, что для обеспечения мощности, равной мощности приведенного примера, электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники нуждается в увеличении единиц оборудования на 100%. Это означает приобретение дополнительных газовых турбин, еще одной паровой турбины, дополнительных ПГРТ, переключателей, трансформаторов и иных необходимых систем и объектов недвижимости, необходимых для поддержания этого оборудования. Это увеличит стоимость монтажа и запуска электростанции на 100%.It follows that to ensure power equal to the power of the above example, a power plant with combined cycles of the prior art needs to increase units of equipment by 100%. This means the acquisition of additional gas turbines, another steam turbine, additional PGRT, switches, transformers and other necessary systems and real estate needed to maintain this equipment. This will increase the cost of installation and commissioning of the power plant by 100%.

В ценах 1999 года стоимость установки современной высокопроизводительной электростанции с комбинированием циклов может быть определена из расчета приблизительно 450 долларов США на один киловатт энергии. Поэтому сооружение электростанции мощностью 720 МВт (720 000 кВт) обойдется в 324 миллиона долларов США. Если же увеличить мощность электростанции до 1050 МВт, стоимость установки достигнет 472 миллионов долларов. В противоположность этому, в соответствии с настоящим изобретением возможно использование меньшего числа единиц оборудования для устранения этого нежелательного удорожания за счет уменьшения стоимости киловатта энергии при номинальной мощности электростанции.At 1999 prices, the cost of installing a modern high-performance power plant with combined cycles can be estimated at about $ 450 per kilowatt of energy. Therefore, the construction of a power plant with a capacity of 720 MW (720,000 kW) will cost 324 million US dollars. If you increase the capacity of the power plant to 1,050 MW, the cost of the installation will reach $ 472 million. In contrast, in accordance with the present invention, it is possible to use fewer pieces of equipment to eliminate this undesirable rise in price by reducing the cost of a kilowatt of energy at the rated power of the power plant.

ПереоснащениеRetooling

Еще одной важнейшей характеристикой настоящего изобретения является возможность его использования для модернизации существующих электростанций. Многие существующие сегодня паровые электростанции производят дорогостоящую электроэнергию по сравнению с высокоэффективными электростанциями с комбинированием циклов, которые рассматриваются в настоящем документе. По мере приватизации рынка энергоснабжения для производителей электроэнергии будет особенно важным поддерживать конкурентные цены. Для этого необходимы технологии, которые позволяли бы существующим электростанциям быть конкурентоспособными по сравнению с новыми электростанциями с комбинированием циклов.Another important characteristic of the present invention is the possibility of its use for the modernization of existing power plants. Many existing steam power plants today produce costly electricity compared to the highly efficient combined cycle power plants discussed in this document. As the energy supply market becomes privatized, it will be especially important for electricity producers to maintain competitive prices. For this, technologies are needed that would allow existing power plants to be competitive compared to new combined cycle power plants.

Поскольку в соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения предполагается использование единого уровня давления (преимущественно), более высокого давления пара, типичного для паровых турбин традиционных паровых электростанций, более высокого соотношения мощности паровой турбины/газовой турбины, а также предусматриваются малые проектные габариты, этот вариант идеально подходит для модернизации существующих паровых электростанций. При использовании настоящего изобретения большие паровые электростанции вполне могут обходиться без своих котлов и использовать пар непосредственно от ПГРТ. Это увеличивает производительность цикла и (во многих случаях) значительно сокращает выбросы. Такой результат может быть достигнут при использовании существующей паровой турбины, конденсатора и иной инфраструктуры, уже имеющейся на электростанции. Таким образом, владельцы могут получить электростанцию с комбинированием циклов большей эффективности при меньших капитальных затратах и минимальных требованиях к объектам недвижимости.Since, in accordance with a preferred embodiment of the present invention, it is assumed to use a single pressure level (mainly), a higher vapor pressure typical of steam turbines of traditional steam power plants, a higher power ratio of a steam turbine / gas turbine, and also small design dimensions are provided, this option Ideal for retrofitting existing steam plants. When using the present invention, large steam power plants may well do without their boilers and use steam directly from PGRT. This increases cycle productivity and (in many cases) significantly reduces emissions. This result can be achieved by using the existing steam turbine, condenser and other infrastructure already available at the power plant. Thus, owners can get a power plant with a combination of higher efficiency cycles with lower capital costs and minimal requirements for real estate.

Модель рекомендуемого варианта реализации - типичная конфигурацияRecommended Implementation Model — Typical Configuration

ОбзорOverview

Конфигурация некоторых вариантов реализации в соответствии с изобретением схожа с предшествующим уровнем техники тем, что газовые турбины и ПГРТ используются для выработки энергии и преобразования тепла выхлопных газов в пар. Однако в вариантах реализации изобретения используется ПГРТ с постоянным поддержанием горения, производящий значительно большее количество пара, причем в режиме единого уровня давления (или в основном единого уровня давления). Этот увеличенный объем пара (и обычно более высокого давления) приводит в действие паровую турбину, причем значительно большую по размеру в сравнении с паровой турбиной предшествующего уровня техники, связанной с такими же газовыми турбинами.The configuration of some embodiments in accordance with the invention is similar to the prior art in that gas turbines and PGRT are used to generate energy and convert exhaust heat to steam. However, in embodiments of the invention, HRSG with constant combustion maintenance is used, producing a significantly larger amount of steam, moreover, in the mode of a single pressure level (or basically a single pressure level). This increased volume of steam (and usually of a higher pressure) drives a steam turbine, and is much larger in comparison with the prior art steam turbine associated with the same gas turbines.

В связи с большими потоками питающей воды она будет нагреваться в ПГРТ, а также в отдельном замкнутом нагревательном контуре, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством извлечения тепла пара. Для повышения эффективности цикла также используются нагреватели газового топлива.Due to the large flows of feed water, it will be heated in PGRT, as well as in a separate closed heating circuit using traditional feed water heaters by extracting steam heat. To increase the efficiency of the cycle, gas fuel heaters are also used.

РазработкаDevelopment

На Фиг.15 представлена схема модели реализации предпочтительного варианта электростанции в соответствии с настоящим изобретением. Выхлопы каждой газовой турбины (1520) направляются в соответствующий ПГРТ (1509) и приводят в действие соответствующий генератор (1521). Эти выхлопные газы производят пар в ПГРТ, который затем производит энергию в паровой турбине и в конечном итоге подвергается конденсации в конденсаторе (1595).On Fig presents a diagram of a model implementation of a preferred embodiment of a power plant in accordance with the present invention. The exhausts of each gas turbine (1520) are directed to the corresponding PGRT (1509) and drive the corresponding generator (1521). These exhaust gases produce steam in the HRSG, which then generates energy in a steam turbine and eventually undergoes condensation in a condenser (1595).

Нагревание питающей воды - Контур нагревания питающей воды ПГРТFeed water heating - PGRT feed water heating circuit

Конденсат из конденсатора (1595) поступает в низконапорный питающий насос котла (1530), где нагнетается до уровня выходного давления. От этой точки клапан управления низконапорной питающей воды (низкого давления) (1560) поддерживает оптимальный поток через экономайзер низкого давления (1501), одновременно направляя избыточные потоки питающей воды в первый из ряда традиционных нагревателей питающей воды (1533). Поток, покидающий экономайзер низкого давления, продолжает двигаться к низконапорному питающему насосу котла (1531) и его давление повышается. Отсюда он проходит через экономайзер высокого давления (1502). Однако после выхода из экономайзера низкого давления часть потока питающей воды направляется через клапан балансировки питающей воды (1561) для поддержания оптимального потока через секцию экономайзера высокого давления (1502). Кроме того, некоторая часть потока направляется к нагревателю газового топлива (1575) через трубопровод (1571). После предварительного нагревания газового топлива этот поток возвращается к впускному отверстию низконапорного питающего насоса котла (1530) через трубопровод (1572). Оставшаяся питающая вода продолжает поступать в экономайзер высокого давления, а поток, выходящий из экономайзера высокого давления, смешивается с потоком питающей воды, выходящим из последнего нагревателя питающей воды (1537). Этот поток находится у клапанов пароохладителей (1510) и (1511), в то время как основной объем потока продолжает двигаться к испарителю (1504).Condensate from the condenser (1595) enters the low-pressure boiler feed pump (1530), where it is pumped to the outlet pressure level. From this point, the low-pressure (low pressure) feed water control valve (1560) maintains an optimal flow through the low-pressure economizer (1501), while directing excess feed water flows to the first of a number of traditional feed water heaters (1533). The flow leaving the low-pressure economizer continues to move toward the low-pressure boiler feed pump (1531) and its pressure rises. From here it passes through a high-pressure economizer (1502). However, after exiting the low pressure economizer, part of the feed water flow is directed through the feed water balancing valve (1561) to maintain optimal flow through the high pressure economizer section (1502). In addition, some of the flow is directed to the gas fuel heater (1575) through the pipeline (1571). After preheating the gas fuel, this flow returns to the inlet of the low-pressure feed pump of the boiler (1530) through the pipeline (1572). The remaining feed water continues to flow into the high pressure economizer, and the stream leaving the high pressure economizer is mixed with the feed water leaving the last feed water heater (1537). This flow is located at the desuperheater valves (1510) and (1511), while the bulk of the flow continues to move to the evaporator (1504).

Нагревание питающей воды - традиционный контур нагреванияFeed water heating - traditional heating circuit

В параллельном контуре нагревания питающей воды последняя вода проходит через первый нагреватель питающей воды (1533), где она нагревается. Затем этот поток двигается через второй и третий нагреватели питающей воды (1534) и (1535) соответственно. На выходе из нагревателя питающей воды (1535) поток отклоняется от параллельного контура ПГРТ через клапан балансировки питающей воды (1561), смешивается с этой питающей водой и продолжает двигаться в высоконапорный питающий насос котла (1532), где его давление повышается. Из этой точки поток проходит через четвертый и пятый нагреватели питающей воды (1536) и (1537) соответственно. Вода из этого контура нагревания теперь смешивается с питающей водой из параллельного контура ПГРТ и подается в испаритель (1504) ПГРТ (за исключением потока, необходимого для клапанов пароохладителей (1510) и (1511)).In a parallel feed water heating circuit, the last water passes through the first feed water heater (1533), where it is heated. This stream then moves through the second and third feed water heaters (1534) and (1535), respectively. At the outlet of the feed water heater (1535), the flow deviates from the parallel PGRT circuit through the feed water balancing valve (1561), mixes with this feed water and continues to move into the high-pressure feed pump of the boiler (1532), where its pressure rises. From this point, the flow passes through the fourth and fifth feed water heaters (1536) and (1537), respectively. Water from this heating circuit is now mixed with feed water from a parallel PGRT circuit and fed to the PGRT evaporator (1504) (except for the flow required for desuperheater valves (1510) and (1511)).

ИспарительEvaporator

В секции испарителя вода в результате кипения преобразуется в пар и поступает в секцию пароперегревателя (1505). Если перегретый пар слишком горяч, клапан пароохладителя переводят в положение для распыления конденсата из трубопровода отвода тепла перегрева (1550) в трубопровод питания пароперегревателя и регулирования входной температуры секции высокого давления турбины (1590). В секции высокого давления турбины пар расширяется, пока не произойдет первый отбор пара, когда небольшая порция пара удаляется из турбины через невозвратный клапан (1568) в трубопровод (1558). Этот пар подают в пятый нагреватель питающей воды (1537), предварительно нагревающий проходящую через него воду. Конденсированный пар из пятого нагревателя питающей воды стекает вниз в четвертый нагреватель питающей воды (1536). Пар в секции высокого давления паровой турбины (1590), оставшийся после отбора, продолжает двигаться к точке выхода из данной секции, становясь так называемым холодным перегретым паром. Холодный перегретый пар продолжает движение к секции промежуточного перегрева ПГРТ (1506).In the evaporator section, boiling water is converted to steam and enters the superheater section (1505). If the superheated steam is too hot, the desuperheater valve is moved to the position to spray condensate from the superheat heat removal pipe (1550) to the steam superheater supply pipe and control the input temperature of the turbine high pressure section (1590). In the high-pressure section of the turbine, the steam expands until the first extraction of steam occurs, when a small portion of the steam is removed from the turbine through a non-return valve (1568) into the pipeline (1558). This steam is fed into the fifth feed water heater (1537), preheating the water passing through it. Condensed steam from the fifth feed water heater flows down into the fourth feed water heater (1536). The steam in the high pressure section of the steam turbine (1590) remaining after the selection continues to move to the exit point from this section, becoming the so-called cold superheated steam. Cold superheated steam continues to move to the intermediate superheat section of the PGRT (1506).

Промежуточный перегревательIntermediate superheater

На пути к секции промежуточного перегревателя некоторое количество пара (второй отбор пара) проходит через невозвратный клапан (1564) к трубопроводу (1554). Этот пар поступает в четвертый нагреватель питающей воды (1536), осуществляющий предварительное нагревание проходящие через него питающей воды. Конденсированный пар из четвертого нагревателя питающей воды стекает вниз на вход высоконапорного насоса котла питающей воды (1532).On the way to the intermediate superheater section, a certain amount of steam (second steam extraction) passes through a non-return valve (1564) to the pipeline (1554). This steam enters the fourth feed water heater (1536), which pre-heats the feed water passing through it. Condensed steam from the fourth feed water heater flows down to the inlet of the high-pressure pump of the feed water boiler (1532).

Холодный перегретый пар теперь проходит через секцию промежуточного перегревателя ПГРТ для возврата в секцию промежуточного давления паровой турбины. Если его температура слишком высока, клапан пароохладителя (1511) переводят в положение для распыления конденсата из трубопровода отвода тепла перегрева (1551) в трубопровод питания пароперегревателя и управления входной температурой секции промежуточного давления турбины (1591). В секции промежуточного давления турбины пар расширяется, пока не произойдет третий отбор пара, когда небольшая порция пара удаляется из турбины через обратный клапан (1567) в трубопровод (1557). Этот пар поступает в третий нагреватель питающей воды (1535), предварительно нагревающий проходящую через него питающую воду. Конденсированный пар из третьего нагревателя питающей воды стекает вниз во второй нагреватель питающей воды. Пар в секции высокого давления паровой турбины (1591), оставшийся после отбора, продолжает двигаться к точке выхода из данной секции, становясь так называемым переходным паром.Cold superheated steam now passes through the PGRT intermediate superheater section to return to the intermediate pressure section of the steam turbine. If its temperature is too high, the desuperheater valve (1511) is moved to the position to spray condensate from the superheat heat removal pipe (1551) into the superheater supply pipe and control the input temperature of the turbine intermediate pressure section (1591). In the intermediate pressure section of the turbine, the steam expands until a third steam extraction takes place, when a small portion of the steam is removed from the turbine through a check valve (1567) into the pipeline (1557). This steam enters the third feed water heater (1535), preheating the feed water passing through it. Condensed steam from the third feed water heater flows down into the second feed water heater. The steam in the high pressure section of the steam turbine (1591) remaining after the selection continues to move to the exit point from this section, becoming the so-called transitional steam.

Переходной парTransitional steam

Переходной пар продолжает движение к секциям низкого давления (1592) и (1593) паровой турбины. На своем пути к секции низкого давления некоторое количество пара (четвертый отбор пара) через невозвратный клапан (1565) отклоняется в трубопровод (1555). Этот пар поступает во второй нагреватель питающей воды (1534), осуществляющий предварительное нагревание проходящей через него питающей воды. Конденсированный пар из второго нагревателя питающей воды стекает вниз в первый нагреватель питающей воды (1533).Transitional steam continues to move to the low pressure sections (1592) and (1593) of the steam turbine. On its way to the low-pressure section, a certain amount of steam (fourth steam withdrawal) through the non-return valve (1565) is deflected into the pipeline (1555). This steam enters the second feed water heater (1534), which pre-heats the feed water passing through it. Condensed steam from the second feed water heater flows down into the first feed water heater (1533).

В секциях низкого давления турбины пар расширяется, пока не произойдет пятый отбор пара, когда небольшая порция пара извлекается из турбины через обратный клапан (1569) в трубопровод (1559). Этот пар поступает в первый нагреватель питающей воды (1533), предварительно нагревающий проходящую через него питающую воду. Конденсированный пар из первого нагревателя питающей воды возвращается через трубопровод (1512) на вход низконапорного питающего насоса котла (1530).In the low-pressure sections of the turbine, the steam expands until the fifth steam take-off occurs, when a small portion of the steam is removed from the turbine through a check valve (1569) into the pipeline (1559). This steam enters the first feed water heater (1533), preheating the feed water passing through it. Condensed steam from the first feed water heater is returned through a pipe (1512) to the inlet of the low-pressure boiler feed pump (1530).

Пар в секциях высокого давления паровой турбины (1592), (1593), который не был извлечен, продолжает движение через секцию к точке выхода из нее у конденсатора (1595). Механическая энергия, выработанная паровой турбиной, приводит в действие генератор (1594), который производит электроэнергию.The steam in the high pressure sections of the steam turbine (1592), (1593), which was not removed, continues to move through the section to the exit point from it at the condenser (1595). The mechanical energy generated by a steam turbine drives a generator (1594), which produces electricity.

Работа при низкой нагрузкеLow load operation

Для работы при низких нагрузках имеется незначительный поток пара высокого давления (поэтому незначительны потоки конденсата из конденсатора) для поддержания оптимальных уровней питающей воды, проходящей через ПГРТ. В таком режиме работы клапаны (1560) и (1561) закрыты. При отсутствии потока питающей воды для удаления тепла все линии отбора пара (1558, 1554, 1557, 1555, 1559) не пропускают поток. Весь поток питающей воды проходит через ПГРТ, так как параллельный контур для поступления воды закрыт.To operate at low loads, there is an insignificant flow of high pressure steam (therefore condensate flows from the condenser are insignificant) to maintain optimal levels of supply water passing through the HRSG. In this mode of operation, the valves (1560) and (1561) are closed. In the absence of a flow of feed water to remove heat, all steam extraction lines (1558, 1554, 1557, 1555, 1559) do not pass the stream. The entire flow of feed water passes through the HRSG, since the parallel circuit for the flow of water is closed.

При уменьшении нагрузки из этой точки путем уменьшения потока пара (сокращения дополнительного горения) поток питающей воды через ПГРТ больше не является достаточным для абсорбции тепла выхлопных газов и одновременного поддержания оптимальной температуры выхлопных газов. Поэтому работа ниже данной точки приведет к увеличению температуры выхлопных газов и понижению производительности комбинированного цикла. На этом этапе инженер-проектировщик должен оценить параметры работы и определить, не является ли более выгодным, с экономической точки зрения, уменьшить на этом этапе работы нагрузку газовых турбин или продолжить модуляцию интенсивности дополнительного горения, позволив температуре выхлопных газов ПГРТ подниматься вверх. На каком-то этапе работы с уменьшенной нагрузкой, однако, становится экономически выгодным уменьшать нагрузку газовых турбин.When reducing the load from this point by reducing the steam flow (reducing additional combustion), the flow of feed water through the HRSG is no longer sufficient to absorb the heat of the exhaust gases and at the same time maintain the optimum temperature of the exhaust gases. Therefore, work below this point will increase the temperature of the exhaust gases and lower the performance of the combined cycle. At this stage, the design engineer must evaluate the operation parameters and determine whether it is more economically advantageous to reduce the load of gas turbines at this stage of operation or to continue modulating the intensity of additional combustion, allowing the temperature of the exhaust gas of the PGRT to rise. At some stage of work with a reduced load, however, it becomes economically viable to reduce the load of gas turbines.

Модель варианта реализации изобретения - Электростанция мощностью 725 МВтModel of an embodiment of the invention - Power plant with a capacity of 725 MW

ОбзорOverview

Рассмотрим в качестве примера еще одного предпочтительного варианта настоящего изобретения электростанцию с комбинированием циклов номинальной мощности 725 МВт. Этот образец электростанции использует две газовые турбины производства компании General Electric модели PG 7241 (FA). Эти газовые турбины будут выделять выхлопные газы, каждая в свой ПГРТ, с единым давлением номинального уровня 2400 фунтов на кв. дюйм. Паровая турбина промежуточного перегрева номинальной мощности 400 МВт будет осуществлять выхлопы непосредственно через конденсатор, работающий под давлением 1,2 дюймов ртутного столба. В связи с большими потоками питающей воды питающая вода будет нагреваться в ПГРТ. Так же, как и в отдельном контуре нагревания питающей воды, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством подачи отбора пара. Нагреватели газового топлива будут также использоваться для увеличения производительности цикла.Consider, by way of example, yet another preferred embodiment of the present invention, a combined cycle power plant with a rated power of 725 MW. This sample power plant uses two General Electric gas turbines, model PG 7241 (FA). These gas turbines will emit exhaust gases, each in its own PGRT, with a common nominal pressure level of 2,400 psi. inch. An intermediate superheat steam turbine with a rated power of 400 MW will exhaust directly through a condenser operating at a pressure of 1.2 inches of mercury. Due to the large flows of feed water, the feed water will be heated in the HRSG. As well as in a separate feed water heating circuit using conventional feed water heaters by supplying steam. Gas fuel heaters will also be used to increase cycle performance.

РазработкаDevelopment

Проект газовых турбин компании General Electric имеет проектные мощность 170770 кВт по стандарту ISO, при перепаде в ПГРТ воздушного давления в 3,0 дюйма по воде и перепаде выхлопного давления в 10 дюймов по воде. Общая мощность газовых турбин, таким образом, составляет 341540 кВт. На Фиг.35 схематически изображена такая электростанция. Числа, указанные на различных этапах процесса работы, соответствуют “точкам”, занесенным в таблицы на Фиг.36, 37 и 38. Данные, соответствующие этим “точкам” в таблицах Фиг.36, Фиг.37 и Фиг.38, определяют давление, температуру, энтальпию и поток в соответствующей “точке”. В целом информация, содержащаяся на Фиг.35-38, представляет так называемый “тепловой баланс”, являющийся совокупным балансом массы и энергии для данного цикла. Необходимо обратить внимание, что в данном примере деаэрация (выпуск воздуха) осуществляется в конденсаторе.The General Electric gas turbine project has a design capacity of 170,770 kW according to the ISO standard, with a differential pressure of 3.0 inches in water in a PGRT and an exhaust pressure difference of 10 inches in water. The total capacity of gas turbines is thus 341,540 kW. On Fig schematically shows such a power plant. The numbers indicated at the various stages of the work process correspond to the “points” listed in the tables of FIGS. 36, 37 and 38. The data corresponding to these “points” in the tables of FIG. 36, FIG. 37 and FIG. 38 determine the pressure, temperature, enthalpy and flow at the corresponding “point”. In general, the information contained in FIGS. 35-38 represents the so-called “heat balance”, which is the total balance of mass and energy for a given cycle. It should be noted that in this example, deaeration (air exhaust) is carried out in a condenser.

Схема расположенияLayout

На Фиг.26 представлен топологический чертеж электростанции в соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами настоящего изобретения. Он очень похож на электростанцию с комбинированием циклов модели S207 FA компании General Electric предшествующего уровня техники, показанную на Фиг.22. Наиболее заметным различием между двумя схемами является конфигурация паровой турбины. В предшествующем уровне техники паровая турбина имеет относительно недозагруженную секцию высокого/промежуточного давления и одну секцию низкого давления. В некоторых вариантах изобретения секция высокого/промежуточного давления сравнима с предшествующим уровнем техники, однако имеет значительно увеличенный объемный расход потока. Для иллюстрации эффективного использования более высоких потоков пара при более низком давлении показана вторая секция низкого давления. Однако в зависимости от экономической оценки, эта секция может и не потребоваться.On Fig presents a topological drawing of a power plant in accordance with some preferred variants of the present invention. It is very similar to the prior art General Cycle S207 FA power plant shown in FIG. 22. The most noticeable difference between the two schemes is the configuration of the steam turbine. In the prior art, a steam turbine has a relatively underloaded high / intermediate pressure section and one low pressure section. In some embodiments of the invention, the high / intermediate pressure section is comparable to the prior art, but has a significantly increased volumetric flow rate. To illustrate the effective use of higher steam flows at lower pressure, a second low pressure section is shown. However, depending on the economic assessment, this section may not be required.

Сравнение с предшествующим уровнем техникиComparison with Prior Art

На Фиг.22 и 24 изображены схемы размещения электростанций S 207 FA компании General Electric и 2Х1 501G компании Westinghouse соответственно. Электростанция производства General Electric требует приблизительно 2,3 акра площади для размещения недвижимости, а электростанция производства компании Westinghouse - приблизительно 3,3 акра. Плотность энергии при этом в этих двух вариантах приблизительно одинакова - 220 МВт на один акр. В то же время некоторые варианты в соответствии с настоящим изобретением могут иметь проектную мощность 725 МВт, как показано на примере на Фиг.26, и плотность энергии 315 МВт на акр, или проектную мощность до 1050 МВт (см. Фиг.29) и плотность энергии 455 MB на акр. То есть электростанция, реализованная в соответствии с настоящим изобретением, позволяет производить значительно больше электроэнергии на данном парке оборудования. Этот фактор не только является преимуществом для новых сооружений, но также имеет и большое значение с точки зрения возможности модификации уже имеющихся электростанций, где парк оборудования начинает действовать выше номинала.On Fig and 24 shows the layout of power plants S 207 FA company General Electric and 2X1 501G company Westinghouse, respectively. A General Electric power plant requires approximately 2.3 acres to house, and a Westinghouse power plant requires approximately 3.3 acres. The energy density in these two versions is approximately the same - 220 MW per acre. At the same time, some options in accordance with the present invention may have a design capacity of 725 MW, as shown in the example in FIG. 26, and an energy density of 315 MW per acre, or a design capacity of up to 1050 MW (see FIG. 29) and density energy 455 MB per acre. That is, a power plant implemented in accordance with the present invention allows to produce significantly more electricity in this fleet of equipment. This factor is not only an advantage for new facilities, but is also of great importance from the point of view of the possibility of modifying existing power plants, where the equipment fleet begins to operate above par.

Кроме этого, комбинирование циклов в предшествующем уровне техники также является более дорогостоящим с точки зрения потребления топлива, капитальных затрат и технического обеспечения. Фиг.23 и 25 представляют условные экономические данные балансов электростанций модели S 207 FA компании General Electric и модели 2Х1 501G компании Westinghouse соответственно. Цифры в таблицах включают годовые затраты на топливо, капитальные затраты и техническое обеспечение для каждой электростанции. Фиг.27 также представляет условные экономические данные балансов для электростанции в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения. Обратите внимание, что в этом случае цифры годовых затрат на топливо, капитальные затраты и техническое обеспечение меньше, чем те же цифры для электростанций с комбинированием циклов из предшествующего уровня техники. Следовательно, при использовании настоящего изобретения стоимость производства электроэнергии уменьшается по всем категориям затрат.In addition, combining cycles in the prior art is also more expensive in terms of fuel consumption, capital costs and technical support. 23 and 25 represent conditional economic data for the balances of power plants of General Electric Model S 207 FA and Westinghouse Model 2X1 501G, respectively. The numbers in the tables include annual fuel costs, capital costs and technical support for each power plant. Fig.27 also represents the conditional economic balance sheet data for a power plant in accordance with one embodiment of the present invention. Please note that in this case the figures for annual fuel costs, capital costs and technical support are less than the same figures for power plants with combined cycles from the prior art. Therefore, when using the present invention, the cost of generating electricity is reduced across all cost categories.

Модель реализации электростанции - Режим сверхкритического параPower Plant Implementation Model - Supercritical Steam Mode

ОбзорOverview

В качестве еще одного примера рассмотрим вариант реализации электростанции с комбинированием циклов номинальной мощности 1040 МВт, использующей ультрасверхкритический режим работы пара с завышенной температурой. В этом варианте электростанции используются две газовые турбины производства компании General Electric модели PG 7241 FA. Каждая из этих газовых турбин выделяет выхлопы в свой ПГРТ единого давления, проектного уровня 3860 фунтов на кв. дюйм. В данном варианте будет также использоваться паровая турбина двойного промежуточного перегрева, номинальной мощности 730 МВт, осуществляющая выхлопы непосредственно через конденсатор под давлением 1,2 дюйма ртутного столба. В связи с большими потоками питающей воды эта вода будет нагреваться в ПГРТ, а также в отдельном контуре нагревания питающей воды, использующем традиционные нагреватели питающей воды посредством поступающего отбора пара. Для увеличения производительности цикла будут также использоваться нагреватели газового топлива.As another example, we consider an embodiment of a power plant with a combination of 1040 MW rated power cycles using an ultra-supercritical high-temperature steam mode. In this embodiment, the power plant uses two gas turbines manufactured by General Electric, model PG 7241 FA. Each of these gas turbines emits exhaust into its single pressure PGRT, projected at 3,860 psi. inch. In this embodiment, a double intermediate superheat steam turbine with a nominal power of 730 MW will also be used, which will exhaust directly through a condenser under a pressure of 1.2 inches of mercury. Due to the large flows of feed water, this water will be heated in PGRT, as well as in a separate feed water heating circuit using traditional feed water heaters through incoming steam extraction. Gaseous fuel heaters will also be used to increase cycle performance.

РазработкаDevelopment

Разработка газовых турбин компании General Electric имеет проектную мощность 170770 кВт по стандарту ISO, при перепаде в ПГРТ воздушного давления в 3,0 дюйма по воде и перепаде выхлопного давления в 10 дюймов по воде. Общая мощность газовых турбин, таким образом, составляет 341540 кВт. На Фиг.39 дано схематическое изображение такой электростанции. Цифры, указанные на различных этапах процесса работы, соответствуют “точкам”, занесенным в таблицы на Фиг.40, 41 и 42. Данные, соответствующие этим “точкам” в таблицах Фиг.40, 41 и 42, определяют давление, температуру, энтальпию и поток в соответствующей “точке”. Такой “тепловой баланс” представляет собой совокупный баланс массы и энергии для данного цикла. Необходимо обратить внимание, что в данном примере деаэрация (выпуск воздуха) осуществляется в конденсаторе.The development of gas turbines at General Electric has a design capacity of 170,770 kW according to the ISO standard, with a differential pressure of 3.0 inches in water and a differential pressure of 10 inches in water. The total capacity of gas turbines is thus 341,540 kW. On Fig given a schematic representation of such a power plant. The numbers indicated at the various stages of the work process correspond to the “points” listed in the tables of FIGS. 40, 41 and 42. The data corresponding to these “points” in the tables of FIGS. 40, 41 and 42 determine pressure, temperature, enthalpy and flow at the corresponding “point”. This “heat balance” is the total balance of mass and energy for a given cycle. It should be noted that in this example, deaeration (air exhaust) is carried out in a condenser.

Сравнение с предшествующим уровнем техникиComparison with Prior Art

Повышенные температура пара (1112°F) и давление (3860 фунта на кв. дюйм) соответствуют данным, которые используются в перспективных паровых циклах, иногда называемых ультрасверхкритическими. Для получения информации об ультрасверхкритических паровых турбинах и соответствующих циклах (см. информационную брошюру “Паровые турбины для ультрасверхкритических электростанций” Клауса М. Редцлаффа и В. Антони Ройггера (General Electric (GE) Reference GER-3945, 1996) ("Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants" by Klaus M. Retzlaffand W. Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945, 1996). Необходимо отметить, что при температуре выхлопов 1123°F стандартная промышленная газовая турбина производства компании General Electric модели PG 7241 FA не имеет достаточно высокотемпературной выхлопной энергии для образования таких температур у пара при требуемых потоках. Таким образом, указанные ультрасверхкритические условия даже не считались доступными в предшествующем уровне техники. Сверхкритическая паровая электростанция сравнима в соответствии с настоящим изобретением с субкритической паровой электростанцией в соответствии с настоящим изобретением, а основным отличием является улучшенная производительность. Более высокое давление пара, более высокие температуры пара, а также использование второго промежуточного перегрева обеспечивают дополнительную мощность для данного варианта. Необходимо отметить, что при таких режимах пара и даже при большом приращении мощности производительность комбинированного цикла в варианте реализации в соответствии с настоящим изобретением приближается к производительности предшествующего уровня техники при использовании той же технологии газовых турбин (6229 BTU/кВт в противовес 6040 BTU/кВт).Elevated vapor temperature (1112 ° F) and pressure (3860 psi) are consistent with data used in advanced steam cycles, sometimes called ultra-supercritical. For information on ultra-supercritical steam turbines and related cycles (see the information booklet “Steam turbines for ultra-supercritical power plants” by Klaus M. Redzlaff and V. Anthony Roigger (General Electric (GE) Reference GER-3945, 1996) (Steam Turbines for Ultrasupercritical Power Plants "by Klaus M. Retzlaffand W. Anthony Ruegger (General Electric Reference GER-3945, 1996). It should be noted that at an exhaust temperature of 1123 ° F, the standard industrial gas turbine manufactured by General Electric model PG 7241 FA does not have a sufficiently high-temperature exhaust energy for imagery anija such temperatures in steam at the required flow. Thus, these ultrasupercritical conditions even not considered available in the prior art. The supercritical steam power plant is comparable in accordance with the present invention, with subcritical steam power plant in accordance with the present invention, and the main difference is an improved performance. Higher vapor pressure, higher vapor temperatures, as well as the use of a second intermediate superheat provide additional power for this option. It should be noted that under such steam conditions and even with a large increase in power, the combined cycle capacity in the embodiment in accordance with the present invention approaches the performance of the prior art using the same gas turbine technology (6229 BTU / kW as opposed to 6040 BTU / kW) .

Однако производительность является всего лишь одной составляющей экономической формулы. Другие основные расходы, капитальные затраты и техническое обеспечение будут выше для варианта сверхкритического режима по сравнению с субкритическим режимом. Поэтому, как и говорилось ранее, для того чтобы определить оптимальный вариант в индивидуальном варианте реализации электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением, должен быть завершен полный экономический анализ. В целом, когда затраты на топливо велики, варианты сверхкритического режима становятся экономически оптимальными, а в случае малых затрат на топливо, предпочтительными становятся варианты субкритического режима.However, productivity is just one part of the economic formula. Other core costs, capital expenditures and technical support will be higher for the supercritical mode option compared to the subcritical mode. Therefore, as mentioned earlier, in order to determine the best option in an individual embodiment of a power plant with combined cycles in accordance with the invention, a complete economic analysis must be completed. In general, when fuel costs are high, supercritical options become economically optimal, and in the case of low fuel costs, subcritical options are preferred.

Профиль нагрузки электростанцииPower Station Load Profile

Электростанции с распределением энергииPower plants with energy distribution

Как говорилось ранее, для поддержания постоянной частоты энергии (60 Гц для США) электроэнергия от всех электростанций, объединенных в сеть энергоснабжения, должна быть равна энергии, потребляемой пользователями данной сети. По этой причине электростанции "распределяют" свою мощность или находятся под контролем Объединения энергетических компаний для удовлетворения потребностей системы.As mentioned earlier, in order to maintain a constant frequency of energy (60 Hz for the United States), the electricity from all power plants integrated into the power supply network should be equal to the energy consumed by users of this network. For this reason, power plants “distribute” their capacity or are controlled by the Association of Energy Companies to meet the needs of the system.

В результате распределения большинство электростанций потратят совсем немного своего рабочего времени при номинальной выработке. Вместо эксплуатации при полной номинальной мощности многие электростанции будут работать со средней нагрузкой и будут делить нагрузку системы со всеми другими электростанциями, объединенными в систему энергоснабжения. Эта статистика может быть визуально подтверждена при изучении продолжительности нагрузки на кривой Фиг.31В, которая представляет данные о типичном долгосрочном распределении используемой нагрузки электростанции по отношению к доле времени в процентах. Необходимо отметить, что с учетом таких долгосрочных наблюдений, большинство электростанций будут работать при пике нагрузки на протяжении менее чем 10% времени, а при средней нагрузке - в течение 70% своего времени.As a result of distribution, most power plants will spend quite a bit of their working time at nominal output. Instead of operating at full rated power, many power plants will operate at medium load and will share the system load with all other power plants integrated into the power supply system. These statistics can be visually confirmed by examining the duration of the load on the curve of FIG. 31B, which presents data on a typical long-term distribution of the used load of a power plant in relation to the percentage of time. It should be noted that, taking into account such long-term observations, most power plants will operate at peak load for less than 10% of the time, and at average load - for 70% of their time.

На Фиг.31А показана информация о типичной почасовой нагрузке для Южно-Атлантического региона США за 24-часовой период. Как видно из этих данных, работа на максимуме нагрузки 62,000 МВт в течение дня значительно превышает время работы в низкой точке нагрузки в 40,000 МВт. Кроме того, полная мощность системы вероятно выше, чем 62,000 МВт, возможно на уровне 70,000 МВт (70 гигаватт, ГВт). Это означает, что, за исключением сезонных пиковых нагрузок (жарких летних дней), даже в самые активные часы вне пика сезона многие электростанции не работают с номинальной мощностью. По этой причине электростанции с распределением энергии могут встречаться со значительными изменениями нагрузки и потенциально тратить только несколько часов в год при работе с номинальной мощностью.On Figa shows information about a typical hourly load for the South Atlantic region of the United States over a 24-hour period. As can be seen from these data, work at a maximum load of 62,000 MW during the day significantly exceeds the time at a low load point of 40,000 MW. In addition, the total system capacity is probably higher than 62,000 MW, possibly at 70,000 MW (70 gigawatts, GW). This means that, with the exception of seasonal peak loads (hot summer days), even in the most active hours outside the peak season, many power plants do not operate at rated power. For this reason, power distribution plants may encounter significant changes in load and potentially spend only a few hours a year when operating at rated power.

Для определения типичного установившегося профиля нагрузки данные на Фиг.31А разбиты на сегменты. Периоды времени, когда нагрузка была выше 60 ГВт, определялись как пик работы. Периоды при нагрузке между от 50 до 60 ГВт считались эксплуатацией электростанции при средней нагрузке, а периоды при нагрузке ниже 50 ГВт считались работой в ночное время. Такой профиль рассматривался как усредненный дневной профиль эксплуатации электростанции. Для выходных дней восемь часов в день считались средней нагрузкой, а остальная часть - ночной работой (на основе средних показателей будних дней для средней и ночной нагрузки в выходные дни). На Фиг.32 показаны подробные данные этих расчетов. Используя данные расчетов Фиг.32, типичный профиль нагрузки, используемый для сравнения, выглядит следующим образом:To determine a typical steady-state load profile, the data in FIG. 31A is segmented. The time periods when the load was above 60 GW were determined as the peak of work. Periods with a load between 50 to 60 GW were considered the operation of the power plant at an average load, and periods with a load below 50 GW were considered work at night. Such a profile was considered as an average daily profile of the operation of a power plant. For weekends, eight hours a day was considered average workload, and the rest was considered night work (based on average weekdays for average and night workloads on weekends). On Fig shows the detailed data of these calculations. Using the calculation data of FIG. 32, a typical load profile used for comparison is as follows:

ПериодPeriod Средняя мощность электростанции (%)Average power of a power plant (%) Часы за неделюHours per week Ночной периодNight period 6060 7777 Средняя нагрузкаAverage load 8080 7171 Пиковые нагрузкиPeak loads 100100 20twenty

Отметим, что, хотя мощность в соответствии с Фиг.32 для пиковых нагрузок составляет всего 87,86%, это число было выровнено до 100,00% для целей данного обсуждения. Поправки ночной и средней мощности составили менее чем 1% от величин на Фиг.32 и корректировались на понижение для компенсации поправки на повышение для работы при пиковых нагрузках.Note that although the power in accordance with FIG. 32 for peak loads is only 87.86%, this number has been aligned to 100.00% for the purposes of this discussion. The corrections for night and average power were less than 1% of the values in Fig. 32 and corrected for reduction to compensate for the correction for increase for operation at peak loads.

Модель профиля нагрузки электростанцииPower Station Load Profile Model

Применяя данные приведенной выше таблицы, можно использовать расчетный профиль нагрузки для определения коэффициента годовой мощности и количества потребляемого топлива на данной электростанции с комбинированием циклов, основанные на данных Фиг.33 работы при частичной нагрузке. Очень важно подчеркнуть на основании таблицы выше и Фиг.31В, что эффективность электростанции, использующей технологию предшествующего уровня техники, будет редко достигать (если вообще когда-нибудь будет достигать) оптимальных, с экономической точки зрения, эксплуатационных показателей. В противоположность этому, варианты реализации в соответствии с настоящим изобретением, как следует из Фиг.33, всегда будут более оптимальными, чем модели предшествующего уровня техники.Using the data of the above table, you can use the calculated load profile to determine the annual power factor and the amount of fuel consumed at a given power plant with a combination of cycles based on the data of Fig. 33 at partial load operation. It is very important to emphasize on the basis of the table above and FIG. 31B that the efficiency of a power plant using prior art technology will rarely (if ever) reach optimal, from an economic point of view, operational performance. In contrast, embodiments of the present invention, as follows from FIG. 33, will always be more optimal than prior art models.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯECONOMIC ISSUES OF THE PRESENT INVENTION

Экономические соображенияEconomic considerations

Затраты на эксплуатацию электростанции с комбинированием циклов разнообразны. Однако самыми большими затратами для производителей работ электростанции обычно являются расходы на топливо, капитальные затраты (долговые обязательства) и техническое обслуживание. Эти три вида затрат составляют основную часть себестоимости (выраженную в денежных суммах на киловатт-час) производства электричества на больших электростанциях с комбинированием циклов. Некоторую часть статей расходов составляют заработная плата, налоги, страховка, лицензирование и иные виды затрат. Для осуществления экономического сравнения некоторых вариантов реализации в соответствии с настоящим изобретением и предшествующего уровня техники заострим внимание на трех основных видах расходов: топливе, долговых обязательствах и техническом обслуживании.The costs of operating a power plant with combined cycles are diverse. However, the biggest costs for power plant manufacturers are usually fuel costs, capital costs (debt obligations), and maintenance. These three types of costs make up the bulk of the cost (expressed in cash per kilowatt hour) of electricity production in large power plants with combined cycles. Some of the items of expenditures are salaries, taxes, insurance, licensing and other types of expenses. In order to make an economic comparison of some of the implementation options in accordance with the present invention and the prior art, we will focus on three main types of expenses: fuel, debt and maintenance.

Затраты на топливоFuel costs

Самым большим видом затрат большой современной электростанции с комбинированием циклов являются расходы, связанные с топливом. Независимо от того, используется ли природный газ, нефть или иные горючие виды топлива, электростанция с комбинированием циклов для производства большого количества электричества должна потреблять большое количество топлива. Короче говоря, электростанция фактически преобразует энергию в одной форме (сырье) в энергию в другой форме (электричество). По этой причине, так как функцией электростанцией является осуществление данного преобразования, эффективность процесса преобразования является ключом к экономическому успеху электростанции.The biggest cost element of a large modern power plant with combined cycles is the cost of fuel. Regardless of whether natural gas, oil, or other combustible fuels are used, a combined cycle power plant must consume large amounts of fuel to produce large amounts of electricity. In short, a power plant actually converts energy in one form (raw materials) into energy in another form (electricity). For this reason, since the function of the power plant is to carry out this conversion, the efficiency of the conversion process is the key to the economic success of the power plant.

Электростанции предшествующего уровня техники имеют мощность в среднем около 48% (LHV) для более старых электростанций с комбинированием циклов, как, например, General Electric S106B, и до 60% (LHV) для предполагаемой усовершенствованной модели General Electric S107H, которая еще не была реализована в коммерческом варианте. Указанные уровни мощности основываются на коэффициенте низшей теплоотдачи топлива (LHV). Однако такие уровни мощности имеют место при работе с полной нагрузкой, а, как указано на Фиг.31А и 31В, большинство электростанций в течение очень незначительного времени работают при полной нагрузке.Prior art power plants have an average power of about 48% (LHV) for older combined cycle power plants, such as General Electric S106B, and up to 60% (LHV) for the proposed advanced General Electric S107H model that has not yet been implemented in a commercial form. The indicated power levels are based on the lowest heat transfer coefficient of the fuel (LHV). However, such power levels occur when operating at full load, and, as indicated in Figs. 31A and 31B, most power plants operate at very low load for a very short time.

При работе с частичной нагрузкой, согласно Фиг.8 имеется потеря по мощности, которую следует ожидать при уменьшенной нагрузке для электростанций с комбинированием циклов предшествующего уровня техники. С использованием этих данных на Фиг.33 отражено значительное повышение уровня производительности при работе с частичной нагрузкой, реализуемое в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения, по сравнению с комбинированным циклом предшествующего уровня техники (здесь более низкая тепловая мощность указывает на более оптимальное функционирование). Такое повышение производительности в режиме частичной нагрузки вместе с увеличением эффективности в режиме полной нагрузки позволяет в некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением достичь лучших экономических показателей с точки зрения потребления топлива по сравнению с предшествующим уровнем техники.When operating with a partial load, according to FIG. 8, there is a power loss that would be expected with a reduced load for power plants with a combination of prior art cycles. Using this data, FIG. 33 shows a significant increase in the partial load performance level implemented in some preferred embodiments of the present invention compared to the combined cycle of the prior art (lower thermal power here indicates a more optimal functioning). This increase in productivity in partial load mode, together with an increase in efficiency in full load mode, allows in some embodiments in accordance with the present invention to achieve better economic indicators in terms of fuel consumption compared with the prior art.

На основании профиля нагрузки на Фиг.32 и с использованием уровня тепловой мощности (производительности) согласно Фиг.33 на Фиг.34 в таблице сведены годовые затраты на топливо для электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением по сравнению с современными электростанциями с комбинированием циклов, известными из уровня техники. В любом случае многие из вариантов реализации электростанции в соответствии с изобретением используют меньше топлива за год, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.Based on the load profile in Fig. 32 and using the level of thermal power (productivity) according to Fig. 33 in Fig. 34, the table summarizes the annual fuel costs for a combined cycle power plant in accordance with the invention compared to modern combined cycle power plants, known from the prior art. In any case, many of the embodiments of the power plant in accordance with the invention use less fuel per year than any of the prior art power plants.

Капитальные затратыCapital expenditures

Вслед за затратами на топливо наиболее значительным видом затрат на новую электростанцию комбинированного цикла являются затраты основного капитала. Это количество денежных средств, необходимых для обслуживания задолженности (кредитные платежи). Хотя производительность станции является важным фактором, общая стоимость электростанции также является важным экономическим аспектом. Как говорилось ранее, необходимо оценивать экономический аспект небольших частей электростанции с комбинированием циклов (т.е. большие по размеру выхлопные секции паровой турбины) так же, как экономический аспект всей электростанции с комбинированием циклов. Небольшие спады тепловой мощности электростанции (или небольшое увеличение эффективности) не должны превышать возмещение путем увеличения основного капитала. По этой причине разработчики электростанции и инженеры стремятся создать лучшую экономическую альтернативу уже имеющимся электростанциям.Following the cost of fuel, the most significant type of cost for a new combined cycle power plant is the cost of fixed capital. This is the amount of cash needed to service a debt (loan payments). Although plant performance is an important factor, the overall cost of a power plant is also an important economic aspect. As mentioned earlier, it is necessary to evaluate the economic aspect of small parts of a power plant with combined cycles (i.e., large-sized exhaust sections of a steam turbine) in the same way as the economic aspect of an entire power plant with combined cycles. Small drops in the thermal capacity of a power plant (or a slight increase in efficiency) should not exceed compensation by increasing fixed capital. For this reason, power plant developers and engineers are striving to create the best economic alternative to existing power plants.

Благодаря своей более высокой плотности энергии, использованию меньшего количества единиц оборудования и уменьшенным затратам на сооружение, некоторые варианты реализации настоящего изобретения имеют значительно более низкие капитальные затраты (сокращены до 30%), чем комбинированные циклы в предшествующем уровне техники. На Фиг.34 в таблице указаны капитальные затраты для модели электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением в сравнении с современными электростанциями предшествующего уровня техники. В любом случае электростанция с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением требует значительно меньше финансовых вложений, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.Due to their higher energy density, the use of fewer pieces of equipment and reduced construction costs, some embodiments of the present invention have significantly lower capital costs (reduced to 30%) than combined cycles in the prior art. On Fig the table shows the capital costs for the model of power plants with combined cycles in accordance with the invention in comparison with modern power plants of the prior art. In any case, a combined cycle power plant in accordance with the present invention requires significantly less financial investment than any of the prior art power plants.

Затраты на техническое обеспечениеTechnical costs

Еще одним большим видом затрат для владельцев электростанции является средняя стоимость ежегодного технического обеспечения, особенно стоимость технического обеспечения в отношении крупных объектов оборудования. Для большой электростанции мощностью 725 МВт предшествующего уровня техники, как показано на примере, эти затраты могут превышать 10 миллионов долларов США в год. Поэтому электростанции с уменьшенным размером стоимости технического обеспечения являются экономически выгодными.Another large type of cost for owners of a power plant is the average cost of annual technical support, especially the cost of technical support for large equipment items. For a large power plant with a capacity of 725 MW of the prior art, as shown in the example, these costs can exceed 10 million US dollars per year. Therefore, power plants with a reduced size of the cost of technical support are economically viable.

Используя разработку, характеризующуюся высокой плотностью энергии, позволяющую уменьшить количество единиц основного оборудования, а также используя не требующие частого техобслуживания паровые турбины в качестве основных машин по производству энергии вместо газовых турбин, которые нуждаются в частом техобслуживании, настоящее изобретение позволит значительно уменьшить затраты на техническое обеспечение по сравнению с комбинированными циклами предшествующего уровня техники. На Фиг.34 в виде таблицы представлены данные затрат на техобслуживание для электростанции, реализованной в соответствии с настоящим изобретением, в сравнении с имеющимися современными электростанциями с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники. В любом случае электростанция с комбинированием циклов согласно настоящему изобретению требует менее напряженных усилий по техническому обеспечению, чем любая из электростанций предшествующего уровня техники.Using a high energy density design that reduces the number of units of basic equipment, and using low-maintenance steam turbines as the main energy production machines instead of gas turbines that require frequent maintenance, the present invention will significantly reduce maintenance costs compared to combined cycles of the prior art. On Fig in a table presents data on maintenance costs for power plants, implemented in accordance with the present invention, in comparison with existing modern power plants with combined cycles in the prior art. In any case, the combined cycle power plant of the present invention requires less intense maintenance effort than any of the prior art power plants.

Сравнение общей стоимостиComparison of total cost

Фиг.34 отражает экономическое сравнение примера электростанции с комбинированием циклов, реализованной в соответствии с настоящим изобретением, и современных электростанций с комбинированием циклов, имеющихся в предшествующем уровне техники. Как видно из этих данных, пример электростанции с комбинированием циклов в соответствии с изобретением является менее дорогостоящим в эксплуатации, чем электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники по всем трем категориям затрат: топливу, капитальным затратам и техническому обеспечению.Fig. 34 shows an economic comparison of an example of a combined cycle power plant implemented in accordance with the present invention and modern combined cycle power plants of the prior art. As can be seen from these data, an example of a power plant with combined cycles in accordance with the invention is less expensive to operate than power plants with combined cycles of the prior art in all three categories of costs: fuel, capital costs and technical support.

Кроме того, по сравнению с электростанцией производства компании Westinghouse, модель 2Х1 501G, выбросы NOX снижены более чем в три раза, или приблизительно на 180 тонн в год. За 20 лет существования электростанция с комбинированием циклов в соответствии с изобретением экономит 469 миллионов долларов США по сравнению с моделью Westinghouse 501G с комбинированием циклов согласно предшествующему уровню техники. Такие размеры экономии превышают начальные затраты в размере 340 миллионов долларов, требуемых на сооружение электростанции 2Х1 501G с комбинированием циклов производства компании Westinghouse, и представляют собой, с экономической точки зрения, существенное преимущество для производителей электростанций в условиях рыночной конкуренции.In addition, compared with Westinghouse's 2X1 501G power plant, NOX emissions are more than tripled, or about 180 tons per year. Over the 20 years of its existence, the combined cycle power plant of the invention has saved $ 469 million compared to the Westinghouse 501G combined cycle plant of the prior art. Such savings exceed the initial costs of $ 340 million required to construct a 2X1 501G power plant with a combination of Westinghouse production cycles and, from an economic point of view, represent a significant advantage for power plant manufacturers in a competitive market.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯOPERATION OF THE PRESENT INVENTION

Пример способа управления ПГРТExample PGRT Control Method

С учетом уникального расположения оборудования, использования преимущественно ПГРТ единого уровня давления и необходимости оптимизации регенерации тепла на Фиг.16 показан пример системы управления для удовлетворения всех этих потребностей. Система управления является примером комбинирования циклов, описанного в предпочтительных вариантах изобретения, показанных на Фиг.9 и Фиг.15, хотя эта система может иметь широкое применение и в иных вариантах реализации настоящего изобретения. В этом примере имеется один ПГРТ для каждой газовой турбины. Отметим, что приведенный пример отражает систему управления ПГРТ для данного применения и является демонстрацией принципов управления потоком, оптимальной передачи тепла и объединения ПГРТ и контуров нагрева питающей воды. В других вариантах применения такая схема может быть изменена с учетом частных обстоятельств. Однако многие принципы из данной схемы управления будут также применяться.Given the unique arrangement of equipment, the use of predominantly PGRT of a single pressure level and the need to optimize heat recovery, Fig. 16 shows an example of a control system to meet all these needs. The control system is an example of a combination of cycles described in the preferred embodiments of the invention shown in Fig.9 and Fig.15, although this system can be widely used in other embodiments of the present invention. In this example, there is one PGRT for each gas turbine. Note that the above example reflects the PGRT control system for this application and is a demonstration of the principles of flow control, optimal heat transfer, and combining PGRT and feed water heating circuits. In other applications, such a scheme may be modified taking into account particular circumstances. However, many principles from this management scheme will also apply.

Согласно Фиг.16 управление начинается в (1601) и продолжается процессом блока (1602), где начинается управление по контуру регулирования. Контроль затем переходит к операции блока (1603). На этом этапе устройство управления изучает входные данные от операционного блока (1611), которые включают окружающую температуру и нагрузку газовой турбины (в частности, выхлопы газовой турбины в ПГРТ в данном контуре регулирования). В соответствии с характеристической кривой, заложенной в данное программное обеспечение, устройство управления определяет поток выхлопов газовой турбины. Используя входные данные прямой подачи для требуемого паровой турбиной потока пара и потока пара, уже произведенного другими ПГРТ, на операционном блоке (1604) устройство управления рассчитывает заданный поток пара как требуемый паровой турбиной поток за вычетом потока от других ПГРТ. Управление продолжается в направлении блока принятия решений (1605) и сравнивает поток пара, необходимый ПГРТ, с оптимальным потоком для экономайзера высокого давления.According to FIG. 16, control starts at (1601) and continues with a block process (1602), where control over the control loop begins. Monitoring then proceeds to block operation (1603). At this stage, the control device examines the input from the operating unit (1611), which includes the ambient temperature and the load of the gas turbine (in particular, the exhaust of the gas turbine in the HRSG in this control loop). In accordance with the characteristic curve embedded in this software, the control device determines the exhaust stream of the gas turbine. Using the direct feed input for the steam flow required by the steam turbine and the steam flow already produced by other PGRTs, on the operation unit (1604), the control unit calculates the predetermined steam flow as the steam flow required by the steam turbine minus the flow from other PGRT. Control continues toward the decision block (1605) and compares the steam flow required by the HRSG with the optimal flow for the high pressure economizer.

Если электростанция работает с уменьшенной нагрузкой, управление переходит к операционному блоку (1606). На этом этапе работы поток экономайзера высокого давления ниже оптимального, требуемого от ПГРТ. По этой причине в выхлопных газах газовой турбины будет содержаться больше тепла, чем можно регенерировать в ПГРТ. В качестве первого этапа уменьшения нагрузки управление начинает модулировать клапаны (960) и (967) в направлении закрытия для уменьшения потока питающей воды через параллельный контур нагревания. После полного отсоединения данного контура вторая фаза управления понижает выработку энергии газовой турбины. Теперь управление возвращается в начальный операционный блок (1602).If the power plant operates with reduced load, control passes to the operating unit (1606). At this stage of the work, the flow of the high-pressure economizer is below the optimum required from the HRSG. For this reason, the exhaust gases of the gas turbine will contain more heat than can be regenerated in the HRSG. As a first step in reducing the load, the control starts modulating the valves (960) and (967) in the closing direction to reduce the flow of feed water through the parallel heating circuit. After this circuit is completely disconnected, the second control phase reduces the energy production of the gas turbine. Now control returns to the initial operating unit (1602).

Из блока принятия решений (1605), если поток, необходимый для ПГРТ, выше оптимального потока экономайзера высокого давления, управление переходит к операционному блоку (1620). Если газовая турбина работает при меньшей нагрузке, чем полная, первая фаза управления заключается в увеличении нагрузки газовой турбины. Как только газовая турбина начнет работать с полной нагрузкой, клапан (967) открывается для начала нагрева питающей воды в параллельном контуре. Используя входные данные прямой подачи в операционный блок (1610) о давлении в секции испарителя и температуре на выходе из экономайзера высокого давления, клапан (967) модулируется для обеспечения оптимальной температуры воды на выходе из экономайзера высокого давления. Насос (932) начинает работать, как только поток начнет проходить через клапан (967).From the decision block (1605), if the flow necessary for PGRT is higher than the optimal flow of the high-pressure economizer, control passes to the operation block (1620). If the gas turbine operates at a lower load than the full load, the first control phase is to increase the load of the gas turbine. As soon as the gas turbine starts operating at full load, the valve (967) opens to start heating the supply water in a parallel circuit. Using the input data of direct supply to the operating unit (1610) about the pressure in the evaporator section and the temperature at the outlet of the high-pressure economizer, the valve (967) is modulated to ensure the optimum water temperature at the outlet of the high-pressure economizer. The pump (932) begins to operate as soon as the flow begins to pass through the valve (967).

Теперь управление переходит к блоку принятия решений (1621). Если необходимый для ПГРТ поток пара меньше, чем оптимальный поток экономайзера низкого давления, управление переходит к операционному блоку (1622). При данной нагрузке электростанции все еще отсутствует потребность в нагревании питающей воды низкого давления, так как тепло в более чем достаточном количестве для нагрева питающей воды содержится в выхлопных газах экономайзера низкого давления. По этой причине клапан (960) закрыт. Управление возвращается к начальному операционному блоку (1602).Now control passes to the decision block (1621). If the steam flow required for the HRSG is less than the optimal flow of the low-pressure economizer, control passes to the operation unit (1622). At this power plant load, there is still no need for heating low-pressure feed water, since more than enough heat to heat the feed water is contained in the exhaust gases of the low-pressure economizer. For this reason, the valve (960) is closed. Management returns to the initial operating unit (1602).

Из блока принятия решений (1621), если необходимый для ПГРТ поток пара больше, чем оптимальный поток пара экономайзера низкого давления, управление затем переходит к операционному блоку (1623). При данной нагрузке традиционной электростанции нагревание питающей воды низкого давления необходимо, так как в выхлопных газах имеется недостаточно тепла для нагрева питающей воды в экономайзере низкого давления. По этой причине клапан (960) изменяется для контроля за потоком через экономайзер низкого давления до его оптимальной величины. Контроль возвращается к начальному операционному блоку (1602).From the decision block (1621), if the steam flow necessary for the HRSG is greater than the optimal steam stream of the low-pressure economizer, control then passes to the operation block (1623). At a given load of a traditional power plant, low-pressure feed water heating is necessary, since there is not enough heat in the exhaust gases to heat the feed water in the low-pressure economizer. For this reason, the valve (960) is changed to control the flow through the low-pressure economizer to its optimal value. Control returns to the initial operating unit (1602).

Пример способа осуществления контроля за всей станциейAn example of a method for monitoring the entire station

При обеспечении логической организации управления всей станцией, некоторые первостепенные задачи включают достижение повышения эффективности и постоянства низкого уровня выбросов. Эти цели являются наиболее достижимыми при эксплуатации газовых турбин при полной нагрузке или близко к полной нагрузке. Логика управления для совокупного управления комбинированным циклом в данном примере будет сосредоточена на достижении именно этих целей. Очевидно, специалисту понятно, что для достижения иных целей эта схема управления может быть легко переориентирована на достижение иных приоритетов.While ensuring the logical organization of the management of the entire plant, some of the primary tasks include achieving improved efficiency and consistent low emissions. These goals are most achievable when operating gas turbines at full load or close to full load. The control logic for the combined control of the combined cycle in this example will focus on achieving precisely these goals. Obviously, the specialist understands that in order to achieve other goals, this management scheme can be easily reoriented to achieve other priorities.

Основной контур управленияMain control loop

На Фиг.17 управление начинается в (1701) и переходит к операционному блоку (1702), где начинается управление по контуру регулирования. Управление затем переходит к операционному блоку (1704). На этом этапе устройство управления изучает входные данные операционного блока (1703), включающие текущую общую нагрузку станции и ссылку по нагрузке (желаемый уровень нагрузки). В соответствии с этими данными устройство управления определяет требования к изменению нагрузки. На блоке принятия решений (1705) устройство управления изучает необходимость изменения нагрузки. Если такая необходимость в изменении нагрузки отсутствует, управление возвращается в начальный операционный блок (1702).In FIG. 17, control starts in (1701) and proceeds to the operation unit (1702), where control along the control loop begins. Management then transfers to the operation unit (1704). At this stage, the control device examines the input data of the operating unit (1703), including the current total station load and a link for the load (desired load level). In accordance with these data, the control device determines the requirements for changing the load. At the decision block (1705), the control device studies the need to change the load. If there is no such need to change the load, control returns to the initial operating unit (1702).

Если требуется изменение нагрузки, управление переходит к блоку принятия решений (1706), где необходимо определить, требуется уменьшение или увеличение всей нагрузки электростанции. Если ее необходимо увеличить, операционное управление следует передать подпрограмме увеличения выработки (1708). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой на Фиг.18. Если нагрузку необходимо уменьшить, операционное управление следует по процедуре подпрограммы уменьшения выработки (1707). Пример варианта этой процедуры проиллюстрирован блок-схемой на Фиг.19.If a change in load is required, control passes to the decision block (1706), where it is necessary to determine whether a decrease or increase in the entire load of the power plant is required. If it is necessary to increase it, operational management should be transferred to the subroutine for increasing output (1708). An example of a variant of this routine is illustrated in the flowchart of FIG. If the load needs to be reduced, operational management follows the procedure for the output reduction subroutine (1707). An example of a variant of this procedure is illustrated in the flowchart of FIG.

Подпрограмма увеличения выработкиProduction Increase Subprogram

Согласно Фиг.18 подпрограмма увеличения выработки начинается с этапа (1801) и переходит к блоку принятия решений (1802). Если электростанция не находится в переходной зоне функционирования (этап, где одна газовая турбина находится в процессе ввода или вывода из эксплуатации), тогда управление переходит к блоку принятия решений (1804). Отметим, что согласно Фиг.43, переходная зона функционирования находится в диапазоне от 70 до 80% нагрузки электростанции. Для достижения различных целей указанный диапазон может меняться специалистами.According to FIG. 18, the output increase subroutine begins at step (1801) and proceeds to the decision block (1802). If the power plant is not in the transition zone of operation (the stage where one gas turbine is in the process of commissioning or decommissioning), then control passes to the decision block (1804). Note that, according to Fig. 43, the transition zone of operation is in the range from 70 to 80% of the load of the power plant. To achieve various goals, the specified range can be changed by specialists.

Если электростанция находится в переходной зоне функционирования, процесс переходит к подпрограмме переходного регулирования (1805). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой Фиг.20. Затем управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803). Все возвраты процесса к этому блоку (1803) возвращаются к блоку подпрограммы в соответствии с Фиг.17 (1708), и в конце концов - к начальному операционному блоку общего управления всей станцией (Фиг.17, 1702).If the power plant is in the transition zone of operation, the process proceeds to the transition control subroutine (1805). An example of a variant of this routine is illustrated in the flowchart of FIG. Then control returns to the end point of the subroutine of the operating unit (1803). All process returns to this block (1803) are returned to the subroutine block in accordance with FIG. 17 (1708), and finally to the initial operational unit for general control of the entire station (FIG. 17, 1702).

От блока принятия решений (1804) при условии работы всех газовых турбин станции процесс переходит к блоку принятия решений (1820). На этом стыке устройство управления определяет, работают ли все газовые турбины с полной нагрузкой. Так как лучшим методом достижения поставленных задач является эксплуатация всех газовых турбин с полной нагрузкой, то, если все газовые турбины не работают с полной нагрузкой, управление переходит к операционному блоку (1821), где нагрузка на одной или более газовых турбинах увеличивается. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1804), subject to the operation of all gas turbines of the station, the process proceeds to the decision block (1820). At this junction, the control device determines whether all gas turbines are operating at full load. Since the best method to achieve the objectives is to operate all gas turbines at full load, then if all gas turbines do not work at full load, control passes to the operation unit (1821), where the load on one or more gas turbines increases. Now control returns to the endpoint of the subroutine of the operating unit (1803).

Из блока принятия решений (1820), если все газовые турбины работают с полной нагрузкой, управление переходит к блоку принятия решений (1822). Этот блок определяет, не работает ли паровая турбина или ПГРТ на своем верхнем пределе функционирования. Для ПГРТ это обычно температура дополнительного горения, для паровой турбины - величина входного давления. Это может быть также функциональным пределом по производительности и иному параметру. Если любой из таких пределов достигнут, управление переходит к операционному блоку (1823), который включает лампочку в диспетчерской, сигнализирующую операторам, что электростанция работает на полную мощность. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1820), if all gas turbines operate at full load, control passes to the decision block (1822). This block determines if the steam turbine or PGRT is not operating at its upper limit of operation. For PGRT, this is usually the temperature of the additional combustion, for a steam turbine - the value of the inlet pressure. It may also be a functional limit on performance and another parameter. If any of these limits is reached, control passes to the operating unit (1823), which includes a light in the control room, signaling to the operators that the power plant is operating at full capacity. Now control returns to the endpoint of the subroutine of the operating unit (1803).

От блока принятия решений (1822), если паровая турбина или ПГРТ не достигли верхнего предела функционирования, управление переходит к операционному блоку (1824), где увеличивается поток топлива к ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1822), if the steam turbine or PGRT did not reach the upper limit of operation, control passes to the operation block (1824), where the fuel flow to the PGRT increases. Now control returns to the endpoint of the subroutine of the operating unit (1803).

От блока принятия решений (1802), если все газовые турбины не принимают участия в работе станции, процесс переходит к блоку принятия решений (1810). На этом стыке устройство управления определяет, все ли газовые турбины, принимающие участие в работе, работают с полной мощностью. Поскольку лучшим методом достижения поставленных целей является работа газовых турбин с полной нагрузкой, в случае если все газовые турбины не достигли полной нагрузки, управление переходит к операционному блоку (1811), где увеличивается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1802), if all gas turbines do not take part in the operation of the station, the process proceeds to the decision block (1810). At this junction, the control device determines whether all the gas turbines participating in the operation are operating at full power. Since the best way to achieve these goals is to operate gas turbines at full load, if all gas turbines have not reached full load, control passes to the operation unit (1811), where the load on one or more gas turbines increases. Now control returns to the endpoint of the subroutine of the operating unit (1803).

От блока принятия решений (1810), если все газовые турбины работают с полной нагрузкой, управление переходит к блоку принятия решений (1812). Этот блок определяет, достигли ли паровая турбина или ПГРТ верхнего предела функционирования. В дополнение к пределу по температуре или давлению это может быть также эксплуатационным ограничением по производительности или иным требованиям системы. Если одно из этих ограничений достигнуто, управление переходит к подпрограмме переходного регулирования, операционному блоку (1813). Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Затем управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1810), if all gas turbines are operating at full load, control passes to the decision block (1812). This block determines whether the steam turbine or PGRT has reached the upper limit of operation. In addition to the temperature or pressure limit, this may also be an operational limitation on performance or other system requirements. If one of these restrictions is reached, control passes to the transition control subroutine, the operation unit (1813). An example of this procedure is presented in the flowchart of FIG. Then, control returns to the end point of the operating unit subroutine (1803).

От блока принятия решений (1812), если паровая турбина или ПГРТ не достигли верхнего предела функционирования, управление переходит к операционному блоку (1814), где увеличивается поток топлива к ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1803).From the decision block (1812), if the steam turbine or PGRT did not reach the upper limit of operation, control passes to the operation block (1814), where the fuel flow to the PGRT increases. Now control returns to the endpoint of the subroutine of the operating unit (1803).

Подпрограмма уменьшения выработкиOutput reduction subroutine

В соответствии с Фиг.19 процедура уменьшения выработки начинается с этапа (1901) и переходит к блоку принятия решений (1902). Если станция работает не в переходной зоне (этап, где одна газовая турбина находится в процессе ввода или вывода из эксплуатации), управление переходит к блоку принятия решений (1904). Отметим, что согласно Фиг.43 переходная зона функционирования находится в диапазоне от 70 до 80% нагрузки электростанции.In accordance with Fig. 19, the production reduction procedure begins at step (1901) and proceeds to the decision block (1902). If the station does not operate in the transition zone (the stage where one gas turbine is in the process of commissioning or decommissioning), control passes to the decision block (1904). Note that, according to FIG. 43, the transition zone of operation is in the range from 70 to 80% of the power plant load.

Если электростанция находится в переходной зоне функционирования, процесс переходит к подпрограмме переходного регулирования (1905). Пример варианта этой подпрограммы проиллюстрирован блок-схемой Фиг.20. Затем управление возвращается к конечной точке подпрограммы операционного блока (1903). Все возвраты процесса к этому блоку (1903) осуществляются в соответствии с Фиг.17 (1707), и в конце концов осуществляется переход к начальному операционному блоку общего управления всей станцией (Фиг.17,1702).If the power plant is in the transition zone of operation, the process proceeds to the transition control subroutine (1905). An example of a variant of this routine is illustrated in the flowchart of FIG. Then, control returns to the endpoint of the operating unit subroutine (1903). All process returns to this block (1903) are carried out in accordance with FIG. 17 (1707), and in the end, a transition is made to the initial operational unit for general control of the entire station (FIG. 17,1702).

От блока принятия решений (1904) при условии работы всех газовых турбин процесс переходит к блоку принятия решений (1920). На этом стыке устройство управления определяет, работают ли паровая турбина или ПГРТ на нижнем пределе функционирования. Для ПГРТ и паровой турбины эти пределы устанавливаются инженерами станции, которые определяют оптимальную точку для начала отключения газовой турбины. Если ни один из этих пределов не достигнут, управление переходит к операционному блоку (1921), где уменьшается подача топлива в ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision block (1904), subject to the operation of all gas turbines, the process goes to the decision block (1920). At this junction, the control device determines whether the steam turbine or PGRT are operating at the lower limit of operation. For PGRT and a steam turbine, these limits are set by the engineers of the station, which determine the optimal point for starting a shutdown of the gas turbine. If none of these limits is reached, control passes to the operating unit (1921), where the supply of fuel to the HRSG decreases. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

От блока принятия решений (1920), если газовая турбина или ПГРТ находятся на нижнем пределе функционирования, управление переходит к блоку принятия решений (1922). Если выработка электростанции превышает верхний предел переходной зоны функционирования, управление переходит в операционный блок (1924), где уменьшается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision block (1920), if the gas turbine or PGRT are at the lower limit of operation, control passes to the decision block (1922). If the generation of the power plant exceeds the upper limit of the transition zone of operation, control passes to the operating unit (1924), where the load on one or more gas turbines decreases. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

От блока принятия решений (1922), если выработка станции достигла верхнего предела переходной зоны функционирования, управление переходит к (1923), подпрограмме переходного контроля. Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision block (1922), if the station’s output reaches the upper limit of the transition zone of operation, control passes to (1923), the transition control subroutine. An example of this procedure is presented in the flowchart of FIG. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

От блока принятия решений (1904), если все газовые турбины не принимают участия в работе станции, процесс переходит к блоку принятия решений (1910)). На этом стыке устройство управления определяет, работает ли паровая турбина или ПГРТ на нижнем пределе. Для ПГРТ и паровой турбины эти пределы устанавливаются инженерами станции, которые определяют оптимальную точку для начала отключения газовой турбины. Если ни один из этих пределов не достигнут, управление переходит к операционному блоку (1911), где уменьшается подача топлива в ПГРТ. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision-making block (1904), if all gas turbines do not take part in the operation of the station, the process proceeds to the decision-making block (1910)). At this junction, the control device determines whether the steam turbine or PGRT is operating at the lower limit. For PGRT and a steam turbine, these limits are set by the engineers of the station, which determine the optimal point for starting a shutdown of the gas turbine. If none of these limits is reached, control passes to the operation unit (1911), where the supply of fuel to the HRSG decreases. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

От блока принятия решений (1910), если газовая турбина или ПГРТ находятся на нижнем пределе функционирования, управление переходит к блоку принятия решений (1912). Если выработка электростанции превышает верхний предел переходной зоны функционирования, управление переходит в операционный блок (1914), где уменьшается нагрузка на одной или более газовых турбинах. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision block (1910), if the gas turbine or PGRT are at the lower limit of operation, control passes to the decision block (1912). If the generation of the power plant exceeds the upper limit of the transition zone of operation, control passes to the operating unit (1914), where the load on one or more gas turbines decreases. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

От блока принятия решений (1912), если выработка станции достигла верхнего предела переходной зоны функционирования, управление переходит к (1913), подпрограмме переходного контроля. Пример этой процедуры представлен блок-схемой на Фиг.20. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (1903).From the decision block (1912), if the station’s output reaches the upper limit of the transition zone of operation, control passes to (1913), the transition control subroutine. An example of this procedure is presented in the flowchart of FIG. Now control returns to the end point of the operating unit subroutine (1903).

Функционирование в переходной зонеTransitional Operation

В соответствии с Фиг.20 подпрограмма переходного контроля начинается в (2001) и переходит к блоку принятия решений (2002). Если необходимо увеличить нагрузку, операционное управление переходит к блоку принятия решений (2010).In accordance with FIG. 20, the transition control routine begins in (2001) and proceeds to the decision block (2002). If it is necessary to increase the load, operational control passes to the decision-making block (2010).

Если электростанция функционирует на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2011) и начинает работать дополнительная газовая турбина. Затем управление возвращается к операционному блоку (2012). На этом этапе нагрузка электростанции изменяется в соответствии с предписанной программой выработки газовой турбины и паровой турбины, в частности в переходный период работы. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).If the power plant operates at the lower limit of the transition zone, the operational control proceeds to (2011) and an additional gas turbine begins to operate. Then, control returns to the operation unit (2012). At this stage, the load of the power plant changes in accordance with the prescribed program for the production of gas turbines and steam turbines, in particular during the transition period. Now control returns to the end point of the subroutine of the operating unit (2030).

Если требуется уменьшение нагрузки, операционное управление переходит к блоку принятия решений (2020).If a reduction in load is required, operational control proceeds to the decision block (2020).

Если электростанция функционирует на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2021), газовая турбина выводится из работы и отключается. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).If the power plant operates at the lower limit of the transition zone, operational control passes to (2021), the gas turbine is taken out of operation and shuts down. Now control returns to the end point of the subroutine of the operating unit (2030).

Если электростанция не находится на нижнем пределе переходной зоны, операционное управление переходит к (2022), где нагрузка модулируется в соответствии заданной программой выработки для газовых и паровых турбин для переходной зоны функционирования. Теперь управление возвращается к конечному пункту подпрограммы операционного блока (2030).If the power plant is not at the lower limit of the transition zone, operational control proceeds to (2022), where the load is modulated in accordance with a predetermined production program for gas and steam turbines for the transition zone of operation. Now control returns to the end point of the subroutine of the operating unit (2030).

Выводыconclusions

Описанный способ управления ПГРТ и электростанцией продемонстрировал, насколько позитивно могут применяться в работе электростанции преимущества настоящего изобретения. Необходимо отметить, что в приведенных примерах систем управления в соответствии с блок-схемами, показанными на Фиг.16-20, могут быть добавлены или опущены некоторые частные этапы, не влияющие на универсальный подход в соответствии с настоящим изобретением или объем изобретения.The described method of controlling PGRT and a power plant demonstrated how positively the advantages of the present invention can be applied in the operation of a power plant. It should be noted that in the examples of control systems in accordance with the flowcharts shown in Fig-20, some particular steps may be added or omitted that do not affect the universal approach in accordance with the present invention or the scope of the invention.

Суть преимуществ настоящего изобретения сводится к тому, что между тем, как большое количество схем управления может быть вовлечено в решение задач снижения общих издержек и сбережения окружающей среды, базисное использование ПГРТ с единым уровнем давления (или близким к единому) в соединении с дополнительным горением способно улучшить общие экономические показатели и уменьшить, связанные с охраной окружающей среды в сравнении с технологиями производства существующих электростанций. Более того, предлагаемый новый способ эксплуатации электростанции и получения максимума энергии при широком диапазоне нагрузок и одновременном поддержании режима полной нагрузки газовой турбины (в противоположность предшествующему уровню техники) ставит предлагаемую технологию управления на уровень высоких достижений в области проектирования систем управления электростанциями.The essence of the advantages of the present invention boils down to the fact that while a large number of control circuits can be involved in solving problems of reducing overall costs and saving the environment, the basic use of HRSG with a single pressure level (or close to a single one) in combination with additional combustion is capable of improve overall economic performance and reduce environmental protection in comparison with the production technologies of existing power plants. Moreover, the proposed new method of operating a power plant and generating maximum energy with a wide range of loads while maintaining the full load mode of a gas turbine (as opposed to the prior art) puts the proposed control technology at the highest level in the field of design of power plant control systems.

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕINDUSTRIAL APPLICATION

Многочисленные нововведения настоящего изобретения будут описаны с определенными ссылками на предпочтительный вариант реализации, где эти нововведения являются особенно выигрышными для решения специфических проблем электростанций, работающих в режиме комбинирования циклов с высокой плотностью энерговыделения. Однако необходимо понимать, что такой вариант являлся бы всего лишь примером выгодного использования инноваций настоящего изобретения. В целом предложения, содержащиеся в описании настоящего изобретения, не обязательно ограничивают любое из различных заявляемых пунктов патентной формулы. Более того, некоторые утверждения могут относиться к одним признакам изобретения, но не относиться к другим.Numerous innovations of the present invention will be described with certain references to a preferred embodiment, where these innovations are particularly advantageous for solving the specific problems of power plants operating in a combination mode of cycles with a high energy density. However, it must be understood that such an option would be just an example of the beneficial use of the innovations of the present invention. In general, the proposals contained in the description of the present invention do not necessarily limit any of the various claimed patent claims. Moreover, some claims may relate to some features of the invention, but not relate to others.

Модернизированные системыUpgraded Systems

Сегодня по-прежнему находят применение многие электростанции, работающие на атомном, угольном или мазутном топливе. С возрастанием влияния конкуренции на рынке электроэнергии, побуждающей к эффективной эксплуатации, факторов озабоченности состоянием окружающей среды с точки зрения парникового эффекта и выбросов загрязняющих веществ, модернизация существующих паровых турбоэлектростанций и трансформирование их в электростанции с комбинированием циклов становится все более подходящим выходом из положения. Однако традиционные электростанции с комбинированием циклов вырабатывают пар на трех уровнях давления, в то время как существующие паровые турбины на традиционных паровых электростанциях спроектированы для использования только пара высокого давления.Today, many power plants operating on nuclear, coal or fuel oil are still being used. With the increasing influence of competition on the electricity market, which leads to efficient operation, environmental concerns from the point of view of the greenhouse effect and emissions of pollutants, the modernization of existing steam turbine power plants and their transformation into power plants with combined cycles becomes an increasingly suitable way out. However, traditional combined cycle power plants produce steam at three pressure levels, while existing steam turbines in traditional steam plants are designed to use only high pressure steam.

В информационной брошюре General Electric “Паровые турбины для систем STAG™ с комбинированием циклов для производства электроэнергии” М. Босса (GER-3582Е, 1996) (GE informative document GER-3582E (1996), entitled "Steam Turbines for STAG™ Combined Cycle Power Systems", by M. Boss) автор описывает основное отличие паровой турбины традиционной паровой электростанции от паровой турбины традиционной электростанции с комбинированием циклов:In the General Electric information brochure, “Steam Turbines for STAG ™ Systems with Combination Cycles for Power Generation,” M. Boss (GER-3582E, 1996) (GE informative document GER-3582E (1996), entitled "Steam Turbines for STAG ™ Combined Cycle Power Systems ", by M. Boss) the author describes the main difference between a steam turbine of a traditional steam power plant and a steam turbine of a traditional power plant with combined cycles:

"Массовый расход в выхлопах электростанции с комбинированием циклов в системе трехуровневого давления может превышать на 30% поток у дроссельной заслонки. Это прямо противоположно условиям многих электростанций с топливньми котлоагрегатами, где поток выхлопа на 25-30% меньше, чем поток у дроссельной заслонки, за счет экстракций пара из турбины тепла в процессе многоступенчатого нагревания питающей воды."“The mass flow in the exhausts of a power plant with combined cycles in a three-level pressure system can exceed the flow at the throttle by 30%. This is directly opposite to the conditions of many power plants with fuel boilers, where the exhaust flow is 25-30% less than the flow at the throttle, "steam extraction from a heat turbine during multi-stage heating of feed water."

Указанное явление значительно усложняет модернизацию традиционных паровых электростанций с трансформацией их в традиционные электростанции с комбинированием циклов на основе предшествующего уровня техники. Так как обычные паровые электростанции допускают наличие входного пара только под высоким давлением, они не приспособлены для поступления пара промежуточного и низкого давления, вырабатываемого ПГРТ традиционной системы с комбинированием циклов. Для того чтобы быть эффективными, как уже обсуждалось, традиционные электростанции с комбинированием циклов, известные из уровня техники, имеют соотношение энергий паровой/газовой турбин на уровне приблизительно 0,5:1. По этой причине для модернизации традиционной паровой электростанции мощностью 400 МВт с трансформацией в традиционную электростанцию с комбинированием циклов и увеличения общей мощности электростанции до 1200 МВт потребовалась бы газовая турбина мощностью 800 МВт. Существующая инфраструктура, топливные магистрали, объекты недвижимости (площадь) и, что наиболее важно, высоковольтные линии могут не иметь соответствующих размеров или характеристик для такого повышения рабочих значений (увеличения на 200%).This phenomenon significantly complicates the modernization of traditional steam power plants with their transformation into traditional power plants with combined cycles based on the prior art. Since conventional steam power plants allow the input steam only at high pressure, they are not suitable for the supply of intermediate and low pressure steam generated PGRT traditional system with combined cycles. In order to be effective, as already discussed, conventional combined cycle power plants known in the art have a steam / gas turbine energy ratio of about 0.5: 1. For this reason, to modernize a traditional 400 MW steam power plant with transformation into a traditional power plant with combined cycles and increase the total power of the power plant to 1,200 MW, a 800 MW gas turbine would be required. The existing infrastructure, fuel lines, real estate (area) and, most importantly, high-voltage lines may not have the appropriate size or characteristics for such an increase in operating values (an increase of 200%).

Кроме того, для получения высокого уровня эффективности в системе с комбинированием циклов предшествующего уровня техники необходимо было бы модифицировать паровую турбину так, чтобы она могла принимать пар промежуточного и низкого давления, а также модифицировать весь паровой тракт (внутренние компоненты, включая вращающиеся или стационарные лопасти), так как коэффициент соотношения выхлопного пара к пару у дроссельной заслонки изменился бы с 0,75 для традиционной паровой электростанции до 1,30 для традиционной электростанции с комбинированием циклов, а это изменение в 1,73 раза (1,3/0,75). Это весьма значительное изменение парового тракта паровой турбины является дорогостоящей процедурой и, возможно, повлечет за собой некоторые ограничения, так как существующий корпус турбины может быть непригоден для переконструирования. Усложняет ситуацию и то, что большая часть имеющегося на реальной паровой электростанции оборудования (конденсаторы, насосы, трубы и т.д.) непригодны для традиционной конструкции системы с комбинированием циклов. А такие объекты, как нагреватели питающей воды, вообще не используются в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.In addition, to obtain a high level of efficiency in a system combining prior art cycles, it would be necessary to modify the steam turbine so that it can receive intermediate and low pressure steam, as well as modify the entire steam path (internal components, including rotating or stationary blades) since the ratio of the exhaust steam to steam at the throttle would change from 0.75 for a traditional steam power plant to 1.30 for a traditional power plant with a combination of cycles, and this change is 1.73 times (1.3 / 0.75). This very significant change in the steam path of a steam turbine is an expensive procedure and may entail some limitations since the existing turbine housing may not be suitable for redesign. Complicating the situation is the fact that most of the equipment available at a real steam power plant (capacitors, pumps, pipes, etc.) is unsuitable for the traditional system design with combined cycles. And objects such as feed water heaters are not used at all in the combined cycle of the prior art.

Многочисленные варианты настоящего изобретения, однако, являются идеальным решением проблемы модернизации традиционных паровых электростанций для трансформации их в электростанции с комбинированием циклов. Так как в ряде случаев в соответствии с настоящим изобретением задается выработка пара в основном высокого давления, настоящее изобретение является идеальным вариантом для такой модернизации. Современная технология комбинирования циклов вырабатывает пар под давлением до 1800 psia, а обычным стандартом коммунальных служб для паровых электростанций является давление 2400 psia, которое как раз является предпочтительным на впуске в некоторых предпочтительных вариантах настоящего изобретения. Кроме того, поскольку настоящее изобретение допускает использование более высокого соотношения энергии паровой/газовой турбин (например, приблизительно 1,2: 1,0), для модификации традиционной паровой электростанции мощностью 400 МВт в эффективную электростанцию с комбинированием циклов необходимо только 330 МВт мощности газовой турбины, как описано в некоторых вариантах настоящего изобретения. Также многое оборудование традиционной паровой электростанции, включая паровую турбину, нагреватели питающей воды, конденсаторы, насосы и иные вспомогательные объекты оборудования, может быть использовано практически без каких-либо изменений.Numerous variations of the present invention, however, are an ideal solution to the problem of upgrading traditional steam power plants to transform them into combined cycle power plants. Since in some cases, in accordance with the present invention, the generation of mainly high pressure steam is set, the present invention is ideal for such an upgrade. Modern cycle combining technology produces steam at pressures up to 1800 psia, and a common utility standard for steam power plants is 2400 psia, which is just the preferred inlet in some preferred embodiments of the present invention. In addition, since the present invention allows the use of a higher energy ratio of steam / gas turbines (for example, approximately 1.2: 1.0), only 330 MW of gas turbine power is needed to modify a traditional 400 MW steam power plant into an efficient combined cycle power plant as described in some embodiments of the present invention. Also, a lot of equipment of a traditional steam power plant, including a steam turbine, feed water heaters, condensers, pumps and other auxiliary equipment items, can be used practically without any changes.

Сравнение модернизации - варианта реализации изобретения и предшествующего уровня техникиComparison of modernization - an embodiment of the invention and the prior art

В патентах США 5375410 и 5442908 Бриш и Костанцо (Briesch and Costanzo) предложена электростанция гибридного стиля, подходящая для использования при модернизации, но и там предлагается использовать ПГРТ трехуровневого давления. Однако в них не предусмотрено использование дополнительного горения, а также охлаждение выхлопных газов ПГРТ питающей водой. Модернизированные таким образом электростанции работают, как традиционные с комбинированием циклов в случае неиспользования котельного топлива. Для сравнения в настоящем изобретении используют котельное топливо и/или дополнительное горение ПГРТ, обеспечивая наилучшие соотношения между видами топлива, экономией затрат по топливу, требованиями частичной нагрузки и/или уровнями выбросов вредных веществ.U.S. Patent Nos. 5,375,410 and 5,442,908 to Briesch and Costanzo suggest a hybrid-style power plant suitable for use in retrofit applications, but it also proposes the use of three-level HRSGs. However, they do not provide for the use of additional combustion, as well as the cooling of exhaust gases of the PGRT with feed water. The power plants modernized in this way operate as traditional ones with combined cycles in case of non-use of boiler fuel. For comparison, the present invention uses boiler fuel and / or additional combustion of HRSG, providing the best ratio between fuels, saving fuel costs, partial load requirements and / or levels of emissions of harmful substances.

Пример для сравнения результатов модернизации существующих паровых электростанций проиллюстрирован Фиг.44. В этом примере модернизации подвергается паровая электростанция, проектные номинальные условия которой составляют давление пара на впуске 2400 psia (фунтов на квадратный дюйм, избыточное давление) при единых температуре повторного нагревания и температуре входной/повторного нагревания на уровне 1050°F. Такие характеристики пара обычно связаны с использованием ископаемого топлива, такого, как уголь или нефть. Хотя паровая турбина электростанции находится в хорошем состоянии, могут возникать трудности, связанные с экологическими стандартами, дорогостоящим ремонтом котла, экономическими факторами рынка электроэнергии. Любой из этих факторов или их совокупность являются для владельцев электростанции стимулом к рассмотрению возможности переоснащения существующей электростанции путем ее трансформации в более экологически чистую и эффективную электростанцию с комбинированием циклов.An example to compare the results of the modernization of existing steam power plants is illustrated in Fig. 44. In this example, a steam power plant is being upgraded, with rated design conditions of 2400 psia inlet pressure (psi, gauge) at a single reheat temperature and an inlet / reheat temperature of 1050 ° F. Such steam characteristics are typically associated with the use of fossil fuels, such as coal or oil. Although the steam turbine of the power plant is in good condition, difficulties may arise due to environmental standards, expensive boiler repairs, and economic factors in the electricity market. Any of these factors or their combination is an incentive for owners of a power plant to consider the possibility of re-equipping an existing power plant by transforming it into a more environmentally friendly and efficient power plant with combined cycles.

Традиционная паровая электростанция мощностью 400 МВт имеет тепловую мощность 7620 BTU/кВт·ч. Если топливо является дорогостоящим, будет рентабельна ее модернизация в электростанцию с комбинированием циклов. Однако электростанция может (частично благодаря пониженной тепловой мощности) иметь низкую оценочную стоимость. В данном примере предполагается, что электростанция оценена в 50 миллионов долларов США, что соответствует только 125 долларов за 1 кВт. При низкой стоимости топлива модернизация может быть экономически неоправданна.A 400 MW traditional steam power plant has a heating capacity of 7620 BTU / kWh. If the fuel is expensive, it will be cost-effective to upgrade it to a power plant with combined cycles. However, a power plant may (partly due to reduced heat output) have a low estimated cost. In this example, it is assumed that the power plant is valued at $ 50 million, which corresponds to only $ 125 per 1 kW. At a low cost of fuel, modernization can be economically unjustified.

При планировании экономических показателей модернизации необходимо выбрать лучшие комбинации оборудования, которые максимально увеличат эффективность и мощность электростанции. Конструкция большой паровой турбины, как в данном примере, ее конструкция будет подобна показанной на Фиг.51. Как видно из этой иллюстрации, вращающиеся и стационарные лопасти в корпусе высокого/промежуточного давления в левой части изображения гораздо меньше по размеру тех, которые предназначены для корпусов низкого давления - в правой части. Хотя набор лопастей в корпусе низкого давления может быть изменен, это потребует изменения и самого корпуса, что повлияет на фундамент, поддерживающую конструкцию и конденсаторы. Фундамент, поддерживающая конструкция и конденсаторы, имеющие отношение к корпусам низкого давления, это большие тяжелые компоненты, замена которых трудоемка и дорогостояща. По этой причине желательно использовать корпуса низкого давления паровой турбины с небольшими или вообще без каких-либо модификаций и вносить изменения в путь следования пара только в секциях высокого/промежуточного давления.When planning the economic indicators of modernization, it is necessary to choose the best combinations of equipment that will maximize the efficiency and power of the power plant. The design of a large steam turbine, as in this example, its design will be similar to that shown in Fig. 51. As you can see from this illustration, the rotating and stationary blades in the high / intermediate pressure housing on the left side of the image are much smaller in size than those intended for low pressure housings on the right side. Although the set of blades in the low-pressure housing can be changed, this will require a change in the housing itself, which will affect the foundation supporting the design and capacitors. The foundation, supporting structure and capacitors related to low pressure housings are large, heavy components that are time consuming and expensive to replace. For this reason, it is desirable to use low-pressure casings of a steam turbine with small or no modifications at all and to make changes in the steam path only in high / intermediate pressure sections.

Для максимального увеличения секции низкого давления существующей паровой турбины желательно привести уровень выхлопов новой электростанции с комбинированием циклов к уровню бывшей паровой электростанции, приблизительно в объеме 1,587,000 Ib/hr. При использовании стандартной модели PG 7241 (FA) компании General Electric в качестве двигателя газовой турбины в данном варианте и ПГРТ трехуровневого давления общее производство пара в данной газовой турбине будет составлять только 528,000 Ib/hr. По этой причине для такой модернизации в предшествующем уровне техники понадобились бы три газовые турбины указанной модели. Такая электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники после модернизации будет иметь мощность приблизительно 800 МВт и тепловую мощность 6040 BTU/кВт·ч. Однако, значительно уменьшив поток в секциях высокого/промежуточного давления существующей паровой турбины, необходимо изменить комплект лопастей в этих секциях. В связи с низкими объемными расходами потока давление на впуске паровой турбины будет уменьшено до 1800 psia. Мощность модернизированной паровой турбины будет составлять 300 МВт. Необходимо отметить, что поскольку комбинированный цикл предшествующего уровня техники не использует нагреватели питающей воды, последние не будут принимать участия в работе. В целом модернизация станции, включая изменения в секции высокого/промежуточного давления паровой турбины, обширна и дорогостояща, и для осуществления такой модернизации паровой турбины выделено 10 миллионов долларов США.To maximize the low-pressure section of an existing steam turbine, it is advisable to bring the exhaust level of the new power plant with combined cycles to the level of the former steam power plant, approximately in the amount of 1,587,000 Ib / hr. Using the General Electric PG 7241 (FA) model as the gas turbine engine in this embodiment and the three-level PGRT, the total steam production in this gas turbine will be only 528,000 Ib / hr. For this reason, for such an upgrade in the prior art, three gas turbines of the indicated model would be needed. Such a power plant with combined cycles of the prior art will have a capacity of approximately 800 MW and a thermal capacity of 6040 BTU / kW · h after modernization. However, having significantly reduced the flow in the high / intermediate pressure sections of an existing steam turbine, it is necessary to change the set of blades in these sections. Due to the low volume flow rate, the inlet pressure of the steam turbine will be reduced to 1800 psia. The capacity of the upgraded steam turbine will be 300 MW. It should be noted that since the combined cycle of the prior art does not use feed water heaters, the latter will not participate in the work. In general, the modernization of the plant, including changes in the high / intermediate pressure section of the steam turbine, is extensive and expensive, and $ 10 million has been allocated to carry out such modernization of the steam turbine.

В соответствии с настоящим изобретением имеются по меньшей мере два варианта модернизации, обеспечивающих трансформируемость. В первом варианте используется только одна стандартная промышленная модель газовой турбины General Electric и ПГРТ. Этот вариант требует большой интенсивности дополнительного горения, но также обеспечивает производство большого количества пара. При таком же потоке выхлопов, что и у традиционной паровой электростанции, потоки во впускное отверстие паровой турбины составляют приблизительно 93% уровня традиционного проекта паровой электростанции. Поэтому эта паровая турбина может использоваться без изменения, с уменьшением давления на впуске только на 7% в стандартном режиме. Кроме того, этот проект использует существующие нагреватели питающей воды. Мощность измененной паровой турбины будет составлять приблизительно 375 МВт при уровне тепловой мощности всей электростанции с комбинированием циклов 6235 BTU/кВт·ч.In accordance with the present invention, there are at least two modernization options for transformability. The first option uses only one standard industrial model of a General Electric gas turbine and PGRT. This option requires a high intensity of additional combustion, but also provides the production of large quantities of steam. With the same exhaust stream as a conventional steam power plant, the flows into the inlet of a steam turbine account for approximately 93% of the level of a traditional steam power plant design. Therefore, this steam turbine can be used without change, with a decrease in inlet pressure of only 7% in standard mode. In addition, this project uses existing feed water heaters. The capacity of the modified steam turbine will be approximately 375 MW at the thermal power level of the entire power plant with a combined cycle of 6235 BTU / kWh.

Второй вариант предусматривает две стандартные промышленные газовые турбины модели PG7241(FA) General Electric и парогенераторы регенерации тепла. В этом варианте поток выхлопов паровой турбины превышает проектный уровень на 15%. Приблизительно в таком же соотношении увеличится давление выхлопов, и общий уровень эффективности будет меньше. В этом варианте реализации изобретения потоки пара впускного отверстия составляют 87% от проектной величины паровой электростанции, поэтому паровая турбина может использоваться без изменений, но с уменьшенным давлением на впуске. Такой проект также сможет использовать существующие нагреватели питающей воды. Мощность измененной паровой турбины для второго варианта составит примерно 395 МВт, а тепловая мощность всей электростанции с комбинированием циклов 6060 BTU/кВт·ч.The second option provides for two standard industrial gas turbines of the General Electric model PG7241 (FA) and heat recovery steam generators. In this embodiment, the steam turbine exhaust stream exceeds the design level by 15%. Approximately the same ratio will increase exhaust pressure, and the overall level of efficiency will be less. In this embodiment, the inlet steam flows make up 87% of the design value of the steam power plant, so the steam turbine can be used unchanged, but with reduced inlet pressure. Such a project would also be able to use existing feedwater heaters. The capacity of the modified steam turbine for the second option will be approximately 395 MW, and the thermal capacity of the entire power plant with a combination of 6060 BTU / kWh cycles.

В таблице на Фиг.44 приведены данные для различных вариантов модернизации. Как было описано ранее, конечным определяющим фактором является экономическая оценка. Если стоимость топлива или коэффициент использования электростанции невелики, модернизация может быть неоправданна. Повышение стоимости топлива может диктовать условия повышения эффективности электростанции, но при разумном уровне себестоимости. Ограничения по поставкам топлива, мощности линий электропередачи или площадям могут создавать ограничения по выработке энергии или количеству единиц оборудования. В конечном итоге, реализация в соответствии с настоящим изобретением предлагает большее количество вариантов, лучшие эксплуатационные режимы для существующих паровых турбин, меньшие изменения в инфраструктуре и более низкие затраты по сравнению с затратами на модернизацию электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники.The table in FIG. 44 shows data for various upgrade options. As described earlier, the ultimate determining factor is economic valuation. If the cost of fuel or the utilization rate of the power plant is small, the upgrade may not be justified. An increase in the cost of fuel can dictate the conditions for increasing the efficiency of a power plant, but at a reasonable cost level. Restrictions on fuel supplies, power lines or floor space can create restrictions on energy production or the number of pieces of equipment. Ultimately, the implementation in accordance with the present invention offers a greater number of options, better operating conditions for existing steam turbines, smaller changes in infrastructure and lower costs compared to the costs of upgrading a power plant with combined prior art cycles.

Электростанции с комбинированием цикловCombined Cycle Power Plants

Настоящее изобретение особенно подходит для применения в электростанциях с комбинированием циклов, где в настоящее время имеется тенденция к использованию газовых турбосистем с комбинированием циклов. Характеристики настоящего изобретения привлекательны для таких систем, благодаря уменьшению количества единиц оборудования, сокращению производственных площадей и капитальных затрат. Например, при использовании настоящего изобретения целесообразно проектировать электростанции высокой плотности энергии с комбинированием циклов, если начальный размер капитальных затрат на 25% ниже, чем у такой же системы предшествующего уровня техники.The present invention is particularly suitable for use in combined cycle power plants where there is currently a tendency to use gas combined cycle turbo systems. The characteristics of the present invention are attractive for such systems, due to the reduction in the number of pieces of equipment, the reduction of floor space and capital costs. For example, when using the present invention, it is advisable to design power plants with a high energy density with combined cycles if the initial capital cost is 25% lower than that of the same prior art system.

Так, известная из уровня техники традиционная станция с комбинированием циклов стоимостью 340 млн. долларов (см. Фиг.25) с использованием методов настоящего изобретения может быть построена за 240 млн. долларов капитальных затрат (см. Фиг.27). Первичная экономия составляет 100 млн. долларов. Эта экономия эквивалентна экономии 10 млн. долларов в год, если процентная ставка составляет 8% и амортизация - 20 лет. Предположив, что стоимость топлива для электростанции предшествующего уровня техники мощностью 725 МВт составляет 93,4 млн долларов в год (см. Фиг.25), ежегодная экономия 10 млн долларов соответствует 10,7% совокупных годовых затрат на топливо для такой электростанции. Это означает, что, с точки зрения количества используемого топлива, настоящее изобретение может быть менее эффективно (на 10,7%) по сравнению с современными системами с комбинированием циклов и одновременно более экономически выгодным. Очевидно, что целью настоящего изобретения является достижение эффективности использования топлива и экологической эффективности. Таким образом, можно достичь значительной экономии за весь период существования станции.Thus, a conventional station with combined cycles costing $ 340 million (see FIG. 25) using the methods of the present invention can be built for $ 240 million in capital costs (see FIG. 27). Primary savings of $ 100 million. This savings is equivalent to saving 10 million dollars a year if the interest rate is 8% and depreciation is 20 years. Assuming that the cost of fuel for a prior art power plant with a capacity of 725 MW is $ 93.4 million per year (see FIG. 25), an annual savings of $ 10 million corresponds to 10.7% of the total annual fuel costs for such a power plant. This means that, in terms of the amount of fuel used, the present invention may be less efficient (10.7%) compared to modern systems with combined cycles and at the same time more cost-effective. Obviously, the aim of the present invention is to achieve fuel efficiency and environmental efficiency. Thus, significant savings can be achieved over the entire life of the station.

Во многих новых конструкциях электростанций или в ситуациях, когда электростанция является модернизированной или усовершенствованной на базе существующей, количество площади для строительства новой станции является фиксированным. Таким образом, возможность при использовании настоящего изобретения обеспечивать равное количество выработанной энергии с меньшими затратами на площадь для электростанции делает изобретение привлекательным, особенно когда общая эффективность станции может поддерживаться на том же или более высоком уровне.In many new designs of power plants or in situations where the power plant is modernized or improved on the basis of the existing one, the amount of space for the construction of a new station is fixed. Thus, the possibility, when using the present invention, to provide an equal amount of generated energy with less cost per area for a power plant makes the invention attractive, especially when the overall efficiency of the plant can be maintained at the same or higher level.

Кроме того, обеспечение возможности работать эффективно в широком диапазоне частичной нагрузки является большим достоинством настоящего изобретения по сравнению с существующим уровнем техники, как с точки зрения эффективности топлива, так и с точки зрения вредных выбросов. В заключение необходимо сказать, что изобретение позволяет уменьшить общий выброс тепла электростанции высокой мощности, что является очень привлекательным моментом с точки зрения снижения негативного влияния израсходованного тепла на окружающую среду, особенно с учетом последних исследований глобального потепления и т.п.In addition, the provision of the ability to operate efficiently over a wide range of partial loads is a great advantage of the present invention compared to the prior art, both from the point of view of fuel efficiency and from the point of view of harmful emissions. In conclusion, it must be said that the invention allows to reduce the total heat emission of a high-power plant, which is a very attractive point in terms of reducing the negative impact of the consumed heat on the environment, especially taking into account recent studies of global warming, etc.

Жидкости транспортировки энергииEnergy transfer fluids

Как известно специалистам, предпочтительным для транспортировки энергии является использование жидкостей, состоящих в основном из воздуха в верхнем цикле пара и/или горячей воды в нижнем цикле. В то же время настоящее изобретение допускает использование широкого спектра других видов жидкостей, включая аммиак, хлорированный фторированный углеводород, нефтепродукты и т.д.As is known to those skilled in the art, it is preferable for energy transportation to use liquids consisting mainly of air in the upper steam cycle and / or hot water in the lower cycle. At the same time, the present invention allows the use of a wide range of other types of liquids, including ammonia, chlorinated fluorinated hydrocarbon, petroleum products, etc.

Это лишь некоторые примеры видов жидкостей для транспортировки энергии, и в контексте настоящего изобретения, при любом упоминании жидкости для транспортировки энергии, это понятие в соответствии с настоящим изобретением необходимо рассматривать как самое широкое для соответствующего применения.These are just some examples of the types of liquids for energy transport, and in the context of the present invention, with any mention of liquids for energy transport, this concept in accordance with the present invention should be considered as the broadest for appropriate use.

Горючее топливо и/или источники топлива/теплаCombustible fuel and / or fuel / heat sources

Как известно специалистам, в предпочтительных вариантах используются виды горючего топлива, состоящие в основном из природного газа, при этом настоящее изобретение допускает использование широкого спектра видов другого жидкого топлива, включая топливо на основе углеводорода, ископаемое топливо, топочный мазут, дизельное топливо и керосин. Конечно, разные виды топлива могут быть использованы отдельно или в комбинации, как в системах с использованием смешанных видов топлива, которые также включены в объем настоящего изобретения. В контексте настоящего изобретения упоминаются лишь некоторые виды горючего топлива, но при любом упоминании горючего топлива необходимо учитывать самое широкое применение этого понятия для соответствующего применения в соответствии с настоящим изобретением.As is known to those skilled in the art, in preferred embodiments, combustible fuels are used, consisting mainly of natural gas, and the present invention allows the use of a wide range of other liquid fuels, including hydrocarbon based fossil fuels, heating oil, diesel fuel and kerosene. Of course, different types of fuel can be used separately or in combination, as in systems using mixed types of fuel, which are also included in the scope of the present invention. In the context of the present invention, only some types of combustible fuel are mentioned, but any mention of combustible fuel must take into account the widest application of this concept for the corresponding application in accordance with the present invention.

Точно так же любое упоминание термина "топливо/источник тепла", даже конкретное упоминание тепла от сжигания природного газа, может также включать тепло, образованное от сжигания любого топлива, определенного выше, но также может включать полностью или частично тепло, выработанное геотермическим источником, атомным реактором в результате расщепления атомного ядра, косвенного горения и/или иными источниками энергии.Similarly, any reference to the term “fuel / heat source”, even a specific reference to heat from burning natural gas, may also include heat generated from burning any fuel as defined above, but may also include all or part of the heat generated by a geothermal source, atomic reactor as a result of fission of the atomic nucleus, indirect combustion and / or other energy sources.

Двигатель газовой турбиныGas turbine engine

После отказа от регулирования рынка электроэнергии наблюдался всплеск активности среди разработчиков, старающихся первыми вывести на рынок электростанции новой мощности. Стратегия разработчиков заключалась в том, что после строительства достаточного количества электростанций в отдельном регионе банки и иные финансовые учреждения будут неохотно откликаться на предложения о финансировании строительства дополнительных электростанций в этом регионе. Поэтому общая точка зрения такова, что в экономической гонке побеждает тот, кто построит станцию первым.After the refusal to regulate the electricity market, there was a surge in activity among developers trying to be the first to bring new capacity to the market. The developers strategy was that after the construction of a sufficient number of power plants in a particular region, banks and other financial institutions would be reluctant to respond to proposals for financing the construction of additional power plants in this region. Therefore, the general point of view is such that the one who builds the station first wins the economic race.

Такая ситуация на рынке оказала влияние на производителей газовых турбин. В настоящее время (второй квартал 1999 г.) существует очередь приблизительно на три года по газовьм турбинам производства "General Electric". В последние годы ожидание на выполнение заказа на одну такую газовую турбину составляло менее 10 месяцев. Это также подчеркивается в POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929. March/April 1999, h/13):This market situation has affected gas turbine manufacturers. At present (the second quarter of 1999) there is a queue of approximately three years for gas turbines manufactured by General Electric. In recent years, the wait for an order for one such gas turbine has been less than 10 months. This is also emphasized in POWER MAGAZINE (ISSN 0032-5929. March / April 1999, h / 13):

"Газовые турбины, которые продавались с небольшой прибылью в последние несколько лет, вдруг пользуются спросом на покупку, подобно акциям с "dot-com" адресом, когда коммунальные службы и независимые производители энергии торопятся осваивать мощность по всей Северной Америке. Некоторые компании заказывают десятки турбин, закрывая таким образом производственные мощности основных производителей на многие годы вперед."“Gas turbines that have been selling at a small profit in the last few years are suddenly in great demand, like stocks with a dot-com address, when utilities and independent energy producers are in a hurry to absorb capacity across North America. Some companies order dozens of turbines thus closing the production capacities of the main producers for many years to come. "

Такой рост спроса на газовые турбины не только значительно поднял их отпускную цену, но затруднил само приобретение некоторых моделей газовых турбин без ожидания в очереди в течение 2-4 лет. Поэтому в рамках настоящего изобретения сделана попытка обойти эту проблему путем производства большого количества энергии в паровой турбине. Это снижает потребность в большой мощности газовой турбины, а в некоторых вариантах настоящего изобретения может быть достигнута удвоенная мощность за счет использования газовых турбин, которые использовались в комбинированном цикле предшествующего уровня техники.Such an increase in demand for gas turbines not only significantly increased their selling price, but made it difficult to acquire some models of gas turbines without waiting in line for 2-4 years. Therefore, in the framework of the present invention, an attempt has been made to circumvent this problem by producing large amounts of energy in a steam turbine. This reduces the need for high power gas turbines, and in some embodiments of the present invention can be achieved double power through the use of gas turbines, which were used in the combined cycle of the prior art.

Двигатель газовой турбины производства Вестингхаус модель 501GWestinghouse Gas Turbine Engine Model 501G

Двигатель газовой турбины модели 501G является следующим шагом в технологии класса "F". Двигатели технологии класса “G” характеризуются большими соотношениями давлений, более совершенными материалами, из которых произведены лопасти, а также температурой горения до 2600°F. Во избежание серьезных тепловых деформаций или иных повреждений в связи с высокой температурой в секции топочной камеры/турбины этих газовых турбин необходимо подавать пар в газовую турбину для охлаждения. Таким образом, в этой новой технологии надлежащее функционирование газовой турбины зависит от парового цикла. Такой вариант организации оборудования обеспечивает более высокую эффективность комбинированного цикла при полной нагрузке, однако в этой технологии имеются и некоторые недостатки. Некоторые из них описаны ниже:The 501G model gas turbine engine is the next step in Class "F" technology. Class “G” technology engines are characterized by high pressure ratios, more advanced materials from which the blades are made, and also a combustion temperature of up to 2600 ° F. In order to avoid serious thermal deformations or other damage due to high temperature, it is necessary to supply steam to the gas turbine for cooling in the combustion chamber / turbine section of these gas turbines. Thus, in this new technology, the proper functioning of a gas turbine depends on the steam cycle. This option of organizing equipment provides higher efficiency of the combined cycle at full load, however, this technology has some disadvantages. Some of them are described below:

1. Технология еще не была проверена.1. The technology has not yet been tested.

2. Цикл не очень приспособляем, так как дополнительное горение ограничено менее чем десятью процентами прироста энергии. Кроме того, дополнительное горение уменьшает общую эффективность электростанции.2. The cycle is not very adaptable, since additional combustion is limited to less than ten percent of the increase in energy. In addition, additional combustion reduces the overall efficiency of the power plant.

3. При более высоких температурах горения NOX формируется быстрее и ожидаемый уровень NOX составляет 42 РРМ по природному газу против 9 РРМ по газовой турбине данной модели.3. At higher combustion temperatures, NOX forms faster and the expected level of NOX is 42 PPM for natural gas versus 9 PPM for a gas turbine of this model.

4. При наличии интегрированной системы охлаждения пара в секции горения модели 501G, возникает потребность в ультрачистом паре. Так как проходы охлаждающего пара в компонентах газовой турбины невелики по размеру, отложения и наросты, которые могут образовываться при нечистом паре не допускаются. Поэтому для производства высокочистого пара необходимы специальные системы тонкой очистки конденсата.4. If there is an integrated steam cooling system in the combustion section of the 501G model, there is a need for ultra-pure steam. Since the passages of the cooling steam in the components of the gas turbine are small in size, deposits and growths that can form with unclean steam are not allowed. Therefore, for the production of high-purity steam, special condensate fine purification systems are needed.

5. Изучение баланса тепла для модели 501G показывает, что некоторая часть этого охлажденного пара потребляется газовой турбиной (возможно при проходе секции турбины). Для электростанции с комбинированием циклов модели 2Х 501G эта часть пара составляет от 35,000 до 45,000 Ib/hr. Это повышает требования к заправочной воде, увеличивает нагрузку на системы тонкой очистки конденсата, а кроме того, это потребление может увеличиваться со временем, так как небольшие протоки, откуда происходит утечка, увеличивается в размере по мере развития тепловых деформаций, эрозии или иных факторов, что пагубно влияет на эффективность.5. A study of the heat balance for the 501G model shows that some of this chilled steam is consumed by a gas turbine (possibly when passing through a turbine section). For a power plant with combined cycles of the 2X 501G model, this part of the steam is from 35,000 to 45,000 Ib / hr. This increases the requirements for filling water, increases the load on the condensate fine purification systems, and in addition, this consumption can increase over time, since the small ducts from where the leak occurs increase in size as thermal deformations, erosion, or other factors develop, which detrimental to effectiveness.

6. Большинство комбинированных циклов для улучшения эффективности работают с изменяемым давлением в паровом цикле. Однако охлажденный пар, истекающий из котла промежуточного давления в ПГРТ, для адекватного охлаждения должен поддерживаться при почти постоянном давлении. Это снижает производительность в условиях частичной нагрузки по сравнению даже с традиционными электростанциями с комбинированием циклов.6. Most combined cycles, to improve efficiency, operate with variable pressure in the steam cycle. However, the cooled steam flowing out of the intermediate pressure boiler in the HRSG must be maintained at an almost constant pressure for adequate cooling. This reduces productivity under partial load conditions compared to even traditional combined cycle power plants.

7. С учетом более высокого соотношения давлений при эксплуатации модели 501G необходим уровень давления топливного газа от 600 до 650 psia, в то время как для модели FA производства General Electric - от 350 до 370 psia. Производство трубопроводов в основном не обеспечивает выполнения этих требований, таким образом, потребуются компрессоры топливного газа в тех случаях, когда двигатели технологии класса "F" в них не нуждаются.7. Given the higher pressure ratio during operation of the 501G model, a fuel gas pressure level of from 600 to 650 psia is required, while for the FA model of General Electric, from 350 to 370 psia. Pipeline production generally does not meet these requirements, therefore, fuel gas compressors will be required in cases where Class F engines do not need them.

8. Таким газовым турбинам требуется более трех часов для достижения режима полной нагрузки, что ограничивает их использование в периоды пиковых нагрузок, тогда как двигатели технологии класса "F" достигают полной нагрузки всего за тридцать минут.8. Such gas turbines require more than three hours to reach full load, which limits their use during peak periods, while Class "F" engines reach full load in just thirty minutes.

Таким образом, очевидно, что более технологичные двигатели (включая предлагаемые двигатели класса "Н" компании "General Electric") имеют множество возможностей для увеличения производительности системы с комбинированием циклов на несколько процентов, однако для достижения этого относительно небольшого повышения требуют применения ограничивающей, дорогостоящей и сложной технологии. В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы некоторые перспективные двигатели, например, модель 501G (потребовались бы только некоторые изменения для охлаждающего пара), однако в основном рассматривается использование моделей PFA и иных промышленных систем производства компании General Electric, благодаря имеющемуся опыту их использования, простоте, низкому уровню выбросов и улучшенной эффективности.Thus, it is obvious that more technologically advanced engines (including the proposed General Electric class “H” engines) have many possibilities for increasing system performance by combining cycles by several percent, however, to achieve this relatively small increase, they require the use of a limiting, expensive and sophisticated technology. In accordance with the present invention, some promising engines can be used, for example, the 501G model (it would only require some changes for cooling steam), however, the use of PFA models and other industrial systems manufactured by General Electric is mainly considered, due to the experience of their use, simplicity low emissions and improved efficiency.

Сравнение комбинированных циклов: Газотурбинные технологии “G”/"Н"и технология "F"Comparison of combined cycles: Gas turbine technology “G” / “H” and technology “F”

В свете либерализации рынка производства электроэнергии и, следовательно, возникновения конкурентных условий, вызванных такой либерализацией, промышленность по производству электроэнергии предпочитает теперь более совершенные и сложные средства производства энергии. Особенно среди систем с комбинированием циклов на основе газовых турбин стали предпочтительными газотурбинные технологии класса “G” и “Н”.In light of the liberalization of the electricity production market and, consequently, the emergence of competitive conditions caused by such liberalization, the electricity industry now prefers more advanced and complex means of energy production. Especially among gas turbine-based systems, gas turbine technologies of class “G” and “H” have become preferred.

Однако использование такой технологии не лишено недостатков, как с экономической, так и с экологической точек зрения. В частности, газотурбинные технологии “G” и “Н” не обеспечивают необходимой гибкости в эксплуатации по сравнению с их предшественником - технологией “F”. Эти новые технологии требуют обязательной интеграции циклов паровой и газовой турбин, так как новые газовые турбины требуют охлаждения внутренних компонентов паром. Без соблюдения этого требования газовые турбины не будут работать. В этом случае паровой цикл не сможет отреагировать на изменение нагрузки так, как это возможно даже в предшествующем уровне техники, поскольку требования охлаждающего пара будут диктовать условия некоторой части произведенного пара.However, the use of such technology is not without drawbacks, both from an economic and environmental point of view. In particular, gas turbine technologies “G” and “H” do not provide the necessary flexibility in operation compared to their predecessor - technology “F”. These new technologies require the mandatory integration of steam and gas turbine cycles, as new gas turbines require the cooling of internal components with steam. Without this requirement, gas turbines will not work. In this case, the steam cycle will not be able to respond to load changes as possible even in the prior art, since the requirements of the cooling steam will dictate the conditions of some part of the produced steam.

Для контроля требований по нагрузке новые технологии, как и в существующем уровне техники, ориентированы на изменение функционирования газовой турбины. Однако благодаря существу интегрируемых циклов, эти технологии допускают использование дополнительного горения в небольшом объеме или вообще не допускают его использование. Это обстоятельство вместе с требованиями, предъявляемыми к станции в условиях работы с частичной нагрузкой, приводит к значительному уменьшению тепловой мощности при частичной нагрузке даже в сравнении с более старыми станциями, использующими “F” технологию, где прямая связь между охлаждением газовой турбины и эксплуатацией паровой турбины отсутствует. Таким образом, более новые газовые турбины обычно годятся для использования на электростанциях, работающих со стандартной нагрузкой. Это противоречит условиям работы с нагрузкой, изменяющейся по потребности в течение дня и от сезона к сезону, характерных для многих новых электростанций.To control the load requirements, new technologies, as in the existing level of technology, are focused on changing the functioning of a gas turbine. However, due to the essence of integrable cycles, these technologies allow the use of additional combustion in a small volume or do not allow its use at all. This circumstance, together with the requirements for the station under partial load conditions, leads to a significant reduction in thermal power at partial load even in comparison with older stations using the “F” technology, where there is a direct connection between the cooling of a gas turbine and the operation of a steam turbine is absent. Thus, newer gas turbines are usually suitable for use in power plants operating at standard load. This contradicts the conditions of work with a load that varies according to demand during the day and from season to season, typical of many new power plants.

Кроме того, станции с использованием новых технологий имеют более высокие температуры горения, что приводит к необходимости использовать более экзотические материалы при их сооружении. Более высокие температуры, таким образом, приводят к значительно более высоким затратам на техобслуживание, а также к более высоким выхлопам NOX.In addition, stations using new technologies have higher combustion temperatures, which leads to the need to use more exotic materials in their construction. Higher temperatures thus lead to significantly higher maintenance costs, as well as higher NOX emissions.

Кроме того, новые газовые турбины для достижения более высокой эффективности используют более высокие степени повышения давления в компрессоре двигателя. В результате появляется потребность в более высоком давлении природного газа на впуске, что во многих ситуациях требует введения компрессоров топливного газа. Компрессоры топливного газа потребляют много энергии, что приводит к снижению эффективности, увеличению себестоимости и уменьшению надежности электростанций с комбинированием циклов.In addition, new gas turbines use higher degrees of pressure increase in the engine compressor to achieve higher efficiency. As a result, there is a need for a higher inlet pressure of natural gas, which in many situations requires the introduction of fuel gas compressors. Fuel gas compressors consume a lot of energy, which leads to lower efficiency, higher costs and lower reliability of power plants with combined cycles.

В свете ограничений гибкости в эксплуатации, производительности при работе с частичной нагрузкой, повышенного уровня NOX, требований возможной компрессии топливного газа и наряду с тем, что конструкции в технологиях “G” и "Н" не были проверены даже при краткосрочной эксплуатации, настоящее изобретение обращает внимание на использование более старых газотурбинных технологий, например технологии класса “F”. При этом настоящее изобретение позволяет разъединить газотурбинный и паротурбинный циклы с одновременным обеспечением возможности работы газовой турбины при максимальной эффективности по топливу и выбросам. Настоящее изобретение при использовании технологии “F” обеспечивает создание электростанции, у которой значительно улучшена производительность работы с частичной нагрузкой, гибкость, уменьшены выбросы и общая стоимость установки.In light of the limitations of operational flexibility, partial load performance, increased NOX levels, requirements for possible compression of fuel gas, and while the designs in the G and H technologies were not tested even during short-term operation, the present invention draws attention to the use of older gas turbine technologies, such as class “F” technology. Moreover, the present invention allows to separate the gas turbine and steam turbine cycles while ensuring the possibility of the gas turbine at maximum fuel and emissions efficiency. The present invention, using the “F” technology, provides for the creation of a power plant that has significantly improved partial load performance, flexibility, reduced emissions and the total cost of the installation.

При уровне тепла в 6006 BTU/кВт·ч в соответствии с настоящим изобретением, против уровня 5830 BTU/кВт·ч для технологии “G” компании Westinghouse и 5690 BTU/кВт·ч для технологии "Н" компании General Electric, увеличение эффективности при стандартной нагрузке для этих более совершенных (тем не менее ограниченных с эксплуатационной точки зрения) электростанций с комбинированием циклов из существующего уровня техники составит только 3 и 5,5%. С учетом понижения производительности при частичной нагрузке, дополнительных затрат на техобслуживание, увеличения капитальных затрат и недостатка гибкости в эксплуатации, не очень вероятно, что технологии "G" и "Н" (даже с их значительно более высокой производительностью при работе с полной нагрузкой) предоставят такие экономические преимущества, которые достижимы при реализации настоящего изобретения в применении к электростанциям с комбинированием циклов.With a heat level of 6006 BTU / kW · h in accordance with the present invention, versus 5830 BTU / kW · h for Westinghouse “G” technology and 5690 BTU / kW · h for General Electric technology “H”, an increase in efficiency with the standard load for these more advanced (nevertheless limited from an operational point of view) power plants with combined cycles from the current level of technology will be only 3 and 5.5%. Given the decrease in productivity at part load, the additional maintenance costs, the increase in capital costs and the lack of flexibility in operation, it is not very likely that the G and H technologies (even with their significantly higher performance when working at full load) will provide such economic advantages as are achievable with the implementation of the present invention as applied to combined cycle power plants.

Хотя выводы настоящего изобретения основаны на применении газотурбинной технологии “F”, они также соответствуют технологиям “G” и "Н", но при условии умелого подхода к производству газовых турбин. Необходимо однако обратить внимание, что настоящее изобретение не ограничивается привлечением того или иного производства, определенной модели газовой турбины, но применимо ко всему диапазону известных промышленных газовых турбин.Although the conclusions of the present invention are based on the use of the “F” gas turbine technology, they also comply with the “G” and “H” technologies, but subject to a skillful approach to the production of gas turbines. It should be noted, however, that the present invention is not limited to the involvement of a particular production, a specific model of a gas turbine, but is applicable to the entire range of known industrial gas turbines.

Предпочтительная модель разработки электростанцииPreferred Power Plant Development Model

Так как предпочтительный вариант представляет собой более гибкую систему с комбинированием циклов, он обеспечивает высокую эффективность (при полной и частичной нагрузке) и значительные преимущества по стоимости, связанные с большей плотностью энергии в соответствии с данным проектом. Способ выбора электростанции, оптимальной с точки зрения эксплуатации и финансирования, описан ниже.Since the preferred option is a more flexible system with a combination of cycles, it provides high efficiency (at full and partial load) and significant cost advantages associated with a higher energy density in accordance with this project. A method for selecting a power plant that is optimal in terms of operation and financing is described below.

ВыборThe choice

Согласно блок-схеме Фиг.47 процесс начинается на стартовом блоке (4701) и переходит к блоку принятия решений (4702), где решается, будет ли рассматриваться строительство новой электростанции или переоснащение существующей. Если станция строится заново, операционный контроль переходит к блоку принятия решений (4704). Если электростанция представляет собой проект с использованием смешанного топлива, операционный контроль переходит к подпрограмме проекта смешанного топлива (4705). В противном случае, операционный контроль переходит к блоку (4706), где разработчик станции, используя информацию в (4707) и иную информацию о месте для предполагаемой станции, например - о мощности линий передач, площади местности и коммерческой стоимости электричества, отбирает желательную производительность электростанции с комбинированием циклов (CCR).According to the flowchart of FIG. 47, the process starts at the start block (4701) and proceeds to the decision block (4702), where it is decided whether the construction of a new power plant or the re-equipment of an existing one will be considered. If the station is rebuilt, operational control passes to the decision block (4704). If the power plant is a mixed fuel project, operational control proceeds to the mixed fuel project subprogram (4705). Otherwise, the operational control proceeds to block (4706), where the station designer, using information in (4707) and other information about the location for the proposed station, for example, transmission line capacity, area, and commercial cost of electricity, selects the desired power station capacity combined cycle (CCR).

Зная производительность электростанции с комбинированием циклов, разработчик переходит к (4708) и, сравнивая полученные из (4709) данные, отбирает газовую турбину для предпочтительного варианта реализации комбинированного цикла из перечня выборок, как, например, на Фиг.29 (примечание - Фиг.29 дает лишь частичный перечень для демонстрационных целей). После выбора газовых турбин, можно определить их общую мощность (GTP). Перейдя к (4710), энергию паровой турбины (STP) можно рассчитать как CCR -GTP.Knowing the performance of a combined cycle power plant, the developer proceeds to (4708) and, comparing the data obtained from (4709), selects a gas turbine for the preferred embodiment of the combined cycle from the list of samples, such as, for example, in Fig. 29 (note - Fig. 29 provides only a partial list for demonstration purposes). After selecting gas turbines, their total power (GTP) can be determined. Turning to (4710), steam turbine energy (STP) can be calculated as CCR -GTP.

Исходя из энергии паровых турбин и общей мощности газовых турбин, операционное управление переходит к (4711), где рассчитывается соотношение энергии паровой/газовой турбин (STP/GTP). Операционный контроль теперь переходит к (4712), где определяется желательная эффективность и характеристики пара на основании типичной кривой, подобной той, которая изображена на Фиг.30. Операционный контроль теперь переходит к 4801 для проведения экономической оценки выбранного комбинированного цикла.Based on the energy of the steam turbines and the total capacity of the gas turbines, the operational control proceeds to (4711), where the ratio of the energy of the steam / gas turbines (STP / GTP) is calculated. Operational control now proceeds to (4712), where the desired steam efficiency and characteristics are determined based on a typical curve similar to that shown in FIG. 30. Operational control now moves to 4801 to conduct an economic assessment of the selected combined cycle.

Согласно Фиг.48, экономическая оценка начинается в (4801) и переходит в блок (4802), где сравнивается информация о нагрузке, типах топлива, стоимости топлива, и иных факторах, перечисленных в (4803), для определения затрат по топливу и средних годовых затрат на конкретный вид топлива (US$/кВт·ч).According to Fig. 48, an economic assessment starts at (4801) and goes to block (4802), which compares information about the load, fuel types, fuel cost, and other factors listed in (4803) to determine fuel costs and average annual costs for a specific type of fuel (US $ / kWh).

Процесс далее переходит в (4804), где сравнивается информация о стоимости оборудования, установке оборудования, финансировании и иных факторах, перечисленных в (4807), для определения капитальных затрат и среднегодовых капитальных затрат (US$/кВт·ч).The process then proceeds to (4804), which compares information on equipment costs, equipment installation, financing, and other factors listed in (4807) to determine capital costs and average annual capital costs (US $ / kWh).

Процесс теперь переходит к (4806), где сравнивается информация о стоимости запасов, техобслуживания, инструментов, и иных факторах, перечисленных в (4807), для определения затрат на техобслуживание и среднегодовой стоимости техобслуживания (US$/кВт·ч).The process now moves on to (4806), which compares information on inventory costs, maintenance, tools, and other factors listed in (4807) to determine maintenance costs and average annual maintenance costs (US $ / kWh).

Процесс переходит в (4808), где сравнивается информация о затратах на заработную плату сотрудникам, налоги, страховку и об иных факторах, перечисленных в (4809), для определения затрат на остальные нужды и их среднегодовой стоимости (US$/кВт·ч).The process goes to (4808), which compares information on employee wage costs, taxes, insurance, and other factors listed in (4809) to determine the remaining costs and their average annual cost (US $ / kWh).

На основе данных о топливе, капитальных затратах, техобслуживании и данные о затратах на остальные нужды вместе с факторами, перечисленными в (4811), определяется полная экономическая модель для предполагаемой станции с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением.Based on the data on fuel, capital costs, maintenance and data on the costs of other needs, together with the factors listed in (4811), a complete economic model for the proposed plant with combined cycles in accordance with the present invention is determined.

Процесс переходит к блоку принятия решений (4812) для определения, приемлем ли выбранный вариант. Если да, то процесс переходит к (4813), где этот вариант сравнивается с другими приемлемыми вариантами. Операционный контроль направляется в определительный блок (4814). Если рассчитанный вариант оказывается преимущественным по сравнению с другими приемлемыми вариантами, он становится предпочтительным и сохраняется как таковой (4815). Операционный контроль продолжает двигаться к блоку принятия решений (4816). Если новый вариант не является предпочтительным, операционный контроль переходит к блоку принятия решений (4816), минуя (4815).The process proceeds to decision block (4812) to determine if the selected option is acceptable. If so, the process proceeds to (4813), where this option is compared with other acceptable options. Operational control is sent to the identification unit (4814). If the calculated option proves to be advantageous over other acceptable options, it becomes preferable and is saved as such (4815). Operational control continues to move toward the decision block (4816). If the new option is not preferred, operational control passes to the decision block (4816), bypassing (4815).

Из блока принятия решений (4816), если необходимо новые варианты, операционный контроль возвращается к процессу проектирования/финансирования (4701) на Фиг.47. В противном случае, процесс переходит к (4817), где предпочтительный вариант отбирается в качестве бизнес-плана для проекта комбинированного цикла и процесс заканчивается в (4818).From the decision block (4816), if new options are necessary, operational control returns to the design / financing process (4701) in FIG. 47. Otherwise, the process proceeds to (4817), where the preferred option is selected as the business plan for the combined cycle project and the process ends in (4818).

Модернизированные электростанцииUpgraded Power Plants

Согласно Фиг.49, процесс переоснащения станции начинается в (4901) и переходит к блоку принятия решений (4902), где определяется, происходит ли модернизация станции для работы на смешанном топливе или нет. Если станция проектируется для гибридного топлива, процесс переходит к подпрограмме проектирования смешанного топлива (4903). После возвращения из этой подпрограммы процесс переходит к (4904) для определения экономических вопросов (см. Фиг.48).According to Fig. 49, the process of re-equipping the station begins at (4901) and proceeds to the decision block (4902), where it is determined whether the station is being upgraded to operate on mixed fuel or not. If the station is designed for hybrid fuels, the process moves on to the mixed fuel design routine (4903). After returning from this subroutine, the process proceeds to (4904) to determine economic issues (see Fig. 48).

Если станция не предназначена для работы на смешанном топливе, контроль переходит к блоку принятия решений (4905). На этом стыке необходимо определить, будет ли существующая паровая турбина изменена или будет использоваться "как есть". Если планируются изменения, процесс переходит к (4906), где новые параметры паровой турбины определяют в соответствии с данными блока (4907). Из этой точки процесс переходит к (4908). Из блока принятия решений (4905), если паровая турбина будет использоваться “как есть”, операционное управление переходит к (4908).If the station is not designed to operate on mixed fuel, control passes to the decision block (4905). At this junction, it is necessary to determine whether the existing steam turbine will be modified or used “as is”. If changes are planned, the process proceeds to (4906), where the new parameters of the steam turbine are determined in accordance with the data of block (4907). From this point, the process proceeds to (4908). From the decision block (4905), if the steam turbine will be used “as is”, the operational control proceeds to (4908).

Сравнивая данные (4909), определяют параметры ПТ предлагаемого комбинированного цикла, и процесс переходит в (4910). При наличии данных о топливе, капитале и иных имеющих значение факторах, перечисленных в (4911), выбирают соотношение энергии паровой/газовой турбин. При переходе к блоку (4912), с использованием данных, подобных данным Фиг.29, можно выбрать газовые турбины. Теперь процесс переходит в (4801), где определяются экономические вопросы (см. Фиг.48).Comparing the data (4909), the parameters of the proposed combined cycle are determined, and the process goes to (4910). If there is data on fuel, capital and other factors of importance listed in (4911), the ratio of the energy of steam / gas turbines is chosen. When moving to block (4912), using data similar to the data of FIG. 29, gas turbines can be selected. Now the process goes to (4801), where economic issues are determined (see Fig. 48).

Электростанции, работающие на смешанном топливеMixed Fuel Power Plants

Электростанции, работающие на смешанном топливе, могут использовать несколько видов горючего топлива для выработки энергии, а также атомные, геотермальные или иные источники тепла. Путем объединения комбинированного цикла, описанного в предпочтительном варианте настоящего изобретения, с циклом работы на смешанном топливе, возможно повышение общей производительности и экономических показателей.Mixed fuel power plants can use several types of combustible fuel to generate energy, as well as atomic, geothermal or other heat sources. By combining the combined cycle described in the preferred embodiment of the present invention with a mixed fuel cycle, an increase in overall performance and economic performance is possible.

В соответствии с блок-схемой Фиг.50, подпрограмма проектирования смешанного топлива начинается в блоке (5001). Управление переходит к блоку принятия решений (5002), где решается, будет ли использовано горючее топливо или такой источник тепла, как атомный или геотермальный. Если будет использоваться горючее топливо, процесс переходит к (5005), где выбирают газовые турбины для работы электростанции на смешанном топливе - в соответствии со стоимостью топлива, размером паровой турбины, желательными параметрами станции и иными факторами, как указано в (5006). Из этой точки подпрограмма возвращается в точку вызова.In accordance with the flowchart of FIG. 50, the mixed fuel design routine starts at block (5001). Control passes to the decision block (5002), where it is decided whether combustible fuel or a heat source such as nuclear or geothermal will be used. If combustible fuel is to be used, the process proceeds to (5005), where gas turbines are selected to operate the mixed fuel power plant - in accordance with the cost of the fuel, the size of the steam turbine, the desired station parameters and other factors, as indicated in (5006). From this point, the routine returns to the call point.

Из блока принятия решений (5002), если используется атомный или геотермальный источник тепла, процесс переходит к (5003), где выбирают газовые турбины для станции, работающей на смешанном топливе, в соответствии со стоимостью топлива, размером паровой турбины, желательными параметрами станции и иными факторами, как указано в (5004). Из этой точки подпрограмма возвращается в точку вызова.From the decision block (5002), if an atomic or geothermal heat source is used, the process proceeds to (5003), where gas turbines are selected for the mixed fuel station in accordance with the cost of the fuel, the size of the steam turbine, the desired station parameters and other factors as indicated in (5004). From this point, the routine returns to the call point.

ВАРИАНТЫOPTIONS

Общие положенияGeneral Provisions

Как было отмечено выше, одним из важнейших преимуществ настоящего изобретения является его эксплуатационная гибкость. Это очевидно не только из возможностей выбора эксплуатационных параметров электростанции с комбинированием циклов, но также и способности осуществлять иные решения, такие как модернизация существующих паровых электростанций или компоновка циклов работы на смешанном топливе. Далее следует описание других вариантов, которые могут успешно использоваться при реализации настоящего изобретения.As noted above, one of the most important advantages of the present invention is its operational flexibility. This is evident not only from the possibilities of choosing the operating parameters of a power plant with combined cycles, but also from the ability to implement other solutions, such as upgrading existing steam power plants or arranging mixed fuel cycles. The following is a description of other options that can be successfully used in the implementation of the present invention.

Компоновка оборудованияEquipment layout

В патенте США 5649416 Джеймс X. Мур (James Н. Moore) описывает различные варианты компоновки оборудования, которые включают газовые и паровые турбины, соединенные и ведомые общим генератором. Хотя вариант в соответствии с Фиг.26 показывает газовые турбины и паровую турбину, каждая со своим соответствующим генератором, нет причины настаивать на таком варианте использования компоновки оборудования. Настоящее изобретение предполагает реализацию новых системы и способа, а компоновка оборудования может соответствовать описанной Муром в его патенте, или при желании использоваться в ином виде. Таким образом, настоящее изобретение предполагает любую комбинацию конфигураций одновальной системы.In US Pat. No. 5,649,416, James H. Moore describes various equipment arrangements that include gas and steam turbines connected and driven by a common generator. Although the embodiment of FIG. 26 shows gas turbines and a steam turbine, each with its own generator, there is no reason to insist on such an option for using equipment layouts. The present invention involves the implementation of a new system and method, and the layout of the equipment may be as described by Moore in his patent, or if desired, be used in a different form. Thus, the present invention contemplates any combination of single-shaft system configurations.

Другие верхние/нижние циклыOther upper / lower cycles

Настоящее изобретение обсуждалось в основном с точки зрения использования традиционных циклов Брейтона/Ренкайна для работы с комбинированием циклов. Однако необходимо отметить, что преимущества настоящего изобретения применимы также для иных циклов. Какие-либо реальные ограничения по использованию других циклов в настоящем изобретении отсутствуют, однако предполагается, что, в частности, цикл Калина General Electric (нижний цикл) может особенно подходить для использования при реализации настоящего изобретения.The present invention has been discussed mainly from the point of view of using traditional Brighton / Renkine cycles for combining cycles. However, it should be noted that the advantages of the present invention are also applicable to other cycles. There are no real restrictions on the use of other cycles in the present invention, however, it is contemplated that, in particular, the Kalina General Electric cycle (lower cycle) may be particularly suitable for use in implementing the present invention.

Таким образом, в данном документе термины "нижний" и "верхний" циклы должны толковаться в самом широком смысле относительно возможности использования циклов Брейтона, Ренкайна, Калины и др., известных специалистам. Кроме того, необходимо отметить, что в данной системе с комбинированием циклов в соответствии с настоящим изобретением особенно предполагается использовать многократно повторяющиеся циклы.Thus, in this document, the terms “lower” and “upper” cycles should be interpreted in the broadest sense with respect to the possibility of using the Breiton, Renkine, Kalina, etc. cycles known to specialists. In addition, it should be noted that in this system with a combination of cycles in accordance with the present invention, it is especially intended to use multiple repeating cycles.

Питающие насосы котла, работающие от небольших паровых турбинBoiler feed pumps powered by small steam turbines

В демонстрационных целях предполагалось, что питающие насосы котла, о которых говорилось в данном документе, работают от электродвигателей. Однако в более мощных паровых электростанциях эти насосы часто работают от небольших паровых турбин, которые называют турбины насосов котла. Турбины насосов котла имеют несколько преимуществ перед двигателями, наиболее важными из которых являются реакция на нагрузку и уменьшение нагрузки на лопасти у выхлопного отверстия.For demonstration purposes, it was assumed that the boiler feed pumps referred to in this document are powered by electric motors. However, in more powerful steam power plants, these pumps often run on small steam turbines called boiler pump turbines. The turbines of the boiler pumps have several advantages over engines, the most important of which are the response to the load and the reduction of the load on the blades at the exhaust outlet.

Так как турбины насосов котла используют пар низкого давления на впуске (обычно меньше 200 psia), они обычно потребляют достаточное количество пара. Этот поток пара, используемого турбинами насосов котла, равен уменьшению пара в секции низкого давления основной паровой турбины. Это уменьшает нагрузку на лопасти последнего каскада и часто приводит к повышению производительности цикла.Since boiler pump turbines use low pressure inlet steam (usually less than 200 psia), they usually consume a sufficient amount of steam. This flow of steam used by the boiler pump turbines is equal to the decrease in steam in the low pressure section of the main steam turbine. This reduces the load on the vanes of the last cascade and often leads to an increase in cycle productivity.

Усовершенствованные характеристики параAdvanced Steam Features

В патенте США 5628183 Райс (Rice) рассматривает исследования по более высоким температурам и давлению, проведенные в Европе, а также в США при содействии Министерства энергетики (Department of Energy (DOE)) и научно-исследовательского института электроэнергии (Electric Power Research Institute (EPRI)). Исследования включали работу солнечных турбин в рамках установочного проекта, разработанного для повышенной эффективности цикла с использованием входной температуры пара в паровой турбине 1500°F. Хотя долгосрочного наблюдения не проводилось, поскольку надежность повышенных уровней давления и/или температур пара подтверждены, эта технология может быть легко осуществлена на основе настоящего изобретения.U.S. Patent 5,628,183 Rice examines higher temperature and pressure studies in Europe as well as in the United States with the assistance of the Department of Energy (DOE) and the Electric Power Research Institute (EPRI) )). Research has included the operation of solar turbines as part of an installation project designed for increased cycle efficiency using an inlet steam temperature of 1,500 ° F in a steam turbine. Although long-term observation has not been carried out since the reliability of the elevated levels of pressure and / or steam temperatures is confirmed, this technology can be easily implemented based on the present invention.

Прогресс в газотурбинной технологииProgress in gas turbine technology

Развитие газотурбинной технологии ориентировано на использование более эффективных компрессоров, новой металлургии, более высоких температур горения, более высоких соотношений давления, а также иных способов воздействия на увеличение производительности. По мере развития и доступности этих достижений, газовые турбины будут пригодны для введения в рабочий цикл в соответствии с настоящим изобретением.The development of gas turbine technology is focused on the use of more efficient compressors, new metallurgy, higher combustion temperatures, higher pressure ratios, as well as other ways of influencing the increase in productivity. As these advances develop and become available, gas turbines will be suitable for introduction into the duty cycle in accordance with the present invention.

Некорродирующая секция низкого давления ПГРТPGRT non-corrosive low pressure section

Уже рассматривалась проблема вредного воздействия конденсата выхлопных газов газовых турбин и его способность вызывать коррозию трубы и ребер в секции низкого давления ПГРТ. Общедоступным способом избежать этой проблемы является подача в ПГРТ питающей воды, предварительно нагретой до температуры, значительно превышающей точку росы выхлопных газов газовой турбины, что предотвращает образование влаги на поверхностях теплообмена в ПГРТ. Этот способ был продемонстрирован в описании вариантов реализации изобретения в соответствии с Фиг.35 и 39.The problem of the harmful effects of the condensate of the exhaust gases of gas turbines and its ability to cause corrosion of pipes and ribs in the low-pressure section of the PGRT has already been considered. A generally accessible way to avoid this problem is to supply feed gas to the HRSG preheated to a temperature well above the dew point of the exhaust gas turbine, which prevents the formation of moisture on the heat exchange surfaces in the HRSG. This method has been demonstrated in the description of embodiments of the invention in accordance with Figs. 35 and 39.

Еще одним подходящим способом избежать указанную проблему является использование некорродирующего материала для изготовления труб и ребер в ПГРТ, обычно нержавеющей стали. В этом случае исключается необходимость предварительного нагрева питающей воды и обеспечивается возможность продолжения процесса охлаждения выхлопных газов газовой турбины, что позволяет реализовать регенерацию энергии вышеназванных газов даже на более высоком уровне. Нежелательным, однако, является дополнительная стоимость материала из нержавеющей стали. В ряде случаев эта стоимость может превосходить величину сэкономленной энергии. Но если цены на топливо велики, а стоимость материала относительно мала, такой вариант может быть экономически выгодным.Another suitable way to avoid this problem is the use of non-corrosive material for the manufacture of pipes and ribs in PGRT, usually stainless steel. In this case, the need for preheating of the supply water is eliminated and the possibility of continuing the process of cooling the exhaust gases of a gas turbine is ensured, which makes it possible to realize the energy recovery of the above gases even at a higher level. Undesirable, however, is the additional cost of stainless steel material. In some cases, this cost may exceed the amount of energy saved. But if fuel prices are high and the cost of the material is relatively small, this option can be cost-effective.

Комбинированный насос высокого/низкого давленияCombined high / low pressure pump

Для создания в паровом цикле необходимого уровня давлений обычно используется насос, накачивающий питающую воду до надлежащего давления. В некоторых примерах реализации изобретения, включая варианты на Фиг.9, 15, 35 и 39, указаны двойные насосы для обеспечения низкого и высокого давлений. Это могут быть насосы для многократной накачки, как показано на чертежах, или один насос. Во всех случаях они состоят из нескольких рабочих колес, которые последовательно нагнетают питающую воду. Насосное отделение с отверстиями в точках надлежащего давления может обеспечить промежуточное давление питающей воды, тогда как оставшаяся часть воды по-прежнему продолжает поступать в направлении выхода высокого давления. Возможны также иные варианты организации насосов. Предпочтительный вариант в соответствии с настоящим изобретением не ограничивает каким-либо образом размеры или модель насоса, а позволяет использовать любой насос или комбинацию насосов, которые обеспечивают соответствующее обслуживание.To create the required pressure level in the steam cycle, a pump is usually used to pump feed water to the proper pressure. In some embodiments, including the embodiments of FIGS. 9, 15, 35, and 39, dual pumps are indicated to provide low and high pressures. It can be pumps for multiple pumping, as shown in the drawings, or one pump. In all cases, they consist of several impellers that sequentially pump feed water. A pump compartment with openings at the points of proper pressure can provide an intermediate pressure for the supply water, while the remainder of the water continues to flow towards the high pressure outlet. Other options for organizing pumps are also possible. The preferred embodiment of the present invention does not in any way limit the size or model of the pump, but allows any pump or combination of pumps that provide appropriate maintenance to be used.

Регенерация сбросной теплотыWaste Heat Recovery

При обсуждении электростанций с комбинированием циклов предшествующего уровня техники и характеристике настоящего изобретения упоминались потери, имеющие место из-за неэффективности оборудования в системе в целом. Например, в форме потерь генератора в связи с не идеальным (не нулевым) сопротивлением в его обмотке. В общем, большая часть потерь системы в любой электростанции с комбинированием циклов может исчисляться сбросной теплотой то есть теплотой, образованной, но не преобразованной в механическую или электрическую энергию. Потери в генераторе, питающем насосе котла, смазочных маслах, потери на излучении тепла газовой и паровой турбины в окружающую среду являются лишь некоторыми видами потерь теплоты в традиционной системе с комбинированием циклов. В традиционных системах с комбинированием циклов (известных из уровня техники) предполагается, что такие источники сбросовой теплоты обычно присутствуют, но не компенсируются, так как в таких конфигурациях электростанции стоимость регенерации тепла нерентабельна, а какие-либо стимулы для использования низкоэнергетической сбросовой теплоты в полезном виде отсутствуют.When discussing power plants with combined cycles of the prior art and the characterization of the present invention, losses due to the inefficiency of the equipment in the system as a whole were mentioned. For example, in the form of generator losses due to non-ideal (not zero) resistance in its winding. In general, most of the losses of a system in any power plant with combined cycles can be calculated by waste heat, that is, heat generated but not converted into mechanical or electrical energy. Losses in the generator, boiler feed pump, lubricating oils, losses due to heat radiation from the gas and steam turbines into the environment are just some of the types of heat losses in a traditional system with combined cycles. In traditional systems with combined cycles (known from the prior art), it is assumed that such sources of waste heat are usually present, but not compensated, since in such configurations of a power plant, the cost of heat recovery is unprofitable, and any incentives for using low-energy waste heat in a useful form are absent.

В связи с избыточным количеством низкоэнергетической теплоты в выхлопных газах газовой турбины, в предшествующем уровне техники для обеспечения максимальной регенерации тепла используют ПГРТ многоуровневого давления. Несмотря на использование постоянно поддерживаемого дополнительного горения, уровень энергии в секции высоких температур ПГРТ равен или превышает уровень энергии в секции более низких температур, при постановке задачи подпитки нагреватели питающей воды при помощи отбора пара из паровой турбины, обычные устройства, работающие по циклу Ренкайна, в традиционных системах с комбинированием циклов предшествующего уровня техники не используются.Due to the excessive amount of low-energy heat in the exhaust gases of a gas turbine, in the prior art, multilevel pressure PGRT is used to ensure maximum heat recovery. Despite the use of constantly maintained additional combustion, the energy level in the high temperature section of the HRSG is equal to or higher than the energy level in the lower temperature section, when setting the task of replenishing feed water heaters by taking steam from a steam turbine, conventional devices operating according to the Rankine cycle, traditional systems with combined cycles of the prior art are not used.

При увеличении потребности в низкоэнергетической теплоте в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться иные источники теплоты. В соответствии с Фиг.21, они включают потери в газовой турбине (2102), потери в генераторе паровой турбины (2110), а также иные потери. В этом случае низкотемпературная теплота, например, теплота от смазочного масла двигателя, потери теплоты в генераторе и воздушное охлаждение камеры газовой турбины могут использоваться для предварительного нагревания питающей воды и могут заменить пар, извлеченный для использования в низкотемпературных нагревателях питающей воды. Использование этой теплоты не только увеличивает тепловую мощность электростанции, но и уменьшает требования отвода тепла данной станции.If the demand for low energy heat is increased in accordance with the present invention, other heat sources may be used. According to FIG. 21, they include losses in a gas turbine (2102), losses in a steam turbine generator (2110), and other losses. In this case, low temperature heat, for example, heat from engine lubricating oil, heat loss in the generator, and air cooling of the gas turbine chamber can be used to pre-heat the feed water and can replace the steam recovered for use in low temperature feed water heaters. The use of this heat not only increases the thermal power of the power plant, but also reduces the heat removal requirements of this station.

В указанных обстоятельствах настоящее изобретение в некотором смысле является уникальным, поскольку источники сбросовой теплоты могут использоваться вместе с нагревателями питающей воды (как показано на Фиг.15) для добавления тепла в воду, которая затем подвергается перегреву внутри ПГРТ. Такое практическое применение нагревателей питающей воды в предшествующем уровне техники не было возможным, так как для выполнения данной функции использовался ПГРТ, а нагревание питающей воды не предполагало для системы с комбинированием циклов предшествующего уровня техники создания каких-либо преимуществ. Таким образом, при разумном использовании нагревания питающей воды с дополнительным горением в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается способ эффективной регенерации тепла, которое в предшествующем уровне техники оставалось сбросовым теплом, не подлежащим регенерации.In these circumstances, the present invention is in a sense unique since waste heat sources can be used together with feed water heaters (as shown in FIG. 15) to add heat to the water, which is then overheated inside the HRSG. Such a practical application of feed water heaters in the prior art was not possible, since PGRT was used to perform this function, and heating feed water did not imply any advantages for the system with combining the prior art cycles. Thus, with the reasonable use of heating of the feed water with additional combustion in accordance with the present invention, there is provided a method for efficiently recovering heat, which in the prior art remained waste heat not subject to regeneration.

Необходимо отметить, что возможность использования сбросовой теплоты на практике можно считать значительным усовершенствованием с точки зрения увеличения эффективности всей системы с комбинированием циклов. Рассмотрим, например, случай, в котором 1-2% сбросовой теплоты, вырабатываемой в системе, регенерируется и направляется на полезное использование. С учетом того, что электростанция с комбинированием циклов мощностью 1000 МВт потратит топлива приблизительно на 175 миллионов долларов США в год, а это означает, что увеличение общей производительности цикла даже на 1% будет приводить к значительной экономии по топливу (1,75 миллионов долларов США в год). За 20 лет существования электростанции, общая экономия топлива составит 35 миллионов долларов США. Таким образом, регенерация сбросовой теплоты при использовании настоящего изобретения представляет собой новый потенциал усовершенствования общей экономической эффективности электростанций с комбинированием циклов, который был практически недоступен при использовании предшествующего уровня техники.It should be noted that the possibility of using waste heat in practice can be considered a significant improvement in terms of increasing the efficiency of the entire system with combined cycles. Consider, for example, the case in which 1-2% of the waste heat generated in the system is regenerated and sent for useful use. Considering that a combined cycle power plant with a capacity of 1000 MW will spend about $ 175 million a year on fuel, which means that an increase in the total cycle capacity of even 1% will result in significant fuel savings ($ 1.75 million in year). Over the 20 years of the power plant’s existence, total fuel economy is estimated at US $ 35 million. Thus, the recovery of waste heat using the present invention represents a new potential for improving the overall economic efficiency of power plants with combined cycles, which was practically unavailable when using the prior art.

Нельзя не отметить, что регенерация сбросовой теплоты на электростанции с комбинированием циклов является прямым повышением общей эффективности термального преобразования, обеспечивающим прямое уменьшение нагревания атмосферы. В связи с ростом обеспокоенности проблемой глобального потепления вопрос регенерации потерянного тепла должен стоять у разработчиков на одном уровне с вопросами уменьшения выбросов NOX и иных загрязняющих веществ. Поскольку согласно расчетам более 100,000 МВт дополнительных мощностей энергоустановок будет введено в эксплуатацию в последующие десять лет, вопросы сбросовой теплоты заслуживают пристального внимания лиц, заинтересованных в сохранении окружающей среды. Кроме того, поскольку заметная часть сбросовой теплоты электростанций с комбинированием циклов попадает в окружающую среду, это может серьезно повлиять на растительную и животную жизнь.It should be noted that the regeneration of waste heat at a power plant with a combination of cycles is a direct increase in the overall efficiency of thermal conversion, providing a direct decrease in atmospheric heating. In connection with the growing concern about global warming, the issue of regeneration of lost heat should be on the same level as developers to reduce emissions of NOX and other pollutants. Since it is estimated that more than 100,000 MW of additional capacity of the power plants will be commissioned in the next ten years, issues of waste heat deserve close attention of people interested in preserving the environment. In addition, since a significant part of the waste heat of power plants with combined cycles is released into the environment, this can seriously affect plant and animal life.

Рост числа геотермальных станцийGrowth in the number of geothermal stations

Настоящее изобретение во многом применимо там, где существующие или предполагаемые электростанции с низким уровнем производительности будут дополнены газовой турбиной (1) для дополнения производства геотермальной энергии в целях удовлетворения требований заданных нагрузок; или (2) для замещения потерь или спада производства геотермальной энергии в случае существующей геотермальной электростанции. Так как количество единиц оборудования для геотермического монтажа как правило фиксированное, потеря эффективности или спад в производстве энергии существующей геотермальной электростанции может привести к нерентабельности ее эксплуатации. В некоторых случаях, спад потока геотермальной энергии может привести к закрытию электростанции, так как количество произведенной электроэнергии может упасть ниже критичной отметки, после которой работа электростанции считается непрактичной.The present invention is largely applicable where existing or proposed power plants with a low level of productivity will be supplemented by a gas turbine (1) to supplement the production of geothermal energy in order to meet the requirements of given loads; or (2) to replace losses or decline in geothermal energy production in the case of an existing geothermal power plant. Since the number of units of equipment for geothermal installation is usually fixed, a loss of efficiency or a decline in the energy production of an existing geothermal power plant can lead to unprofitable operation. In some cases, a decline in the flow of geothermal energy can lead to the closure of the power plant, as the amount of electricity generated may fall below a critical point, after which the operation of the power plant is considered impractical.

Настоящее изобретение может успешно применяться к этим ситуациям, в целом таким же образом, как оно применяется в случае регенерации сбросовой теплоты традиционной электростанции с комбинированием циклов. Единственным отличием является то, что "сбросовая теплота", используемая в настоящем изобретении, регенерируется из геотермального источника. Результатом использования геотермальной теплоты в соединении с газовой турбиной при оптимальном уровне горения является производство стабильного количества энергии (независимо от качества или стабильности самого геотермального источника энергии). Так как преимущества настоящего изобретения в значительной степени связаны с дополнительным горением в ПГРТ, источник геотермальной энергии в этом применении может быть использован через теплообменники для снабжения такого дополнительного горения в ПГРТ, заменяя таким образом топливо и/или тепло, которые обычно подаются с этой целью. Таким образом, уменьшение выработки и/или эффективности геотермального источника энергии приведет только к адекватному увеличению дополнительного горения от других топливных и/или тепловых источников. Параметры производительности электростанции остаются постоянными, и даже могут увеличиваться для модернизированных электростанций, рассмотренных в других разделах настоящего документа.The present invention can be successfully applied to these situations, generally in the same way as it is applied in the case of waste heat recovery of a conventional power plant with combined cycles. The only difference is that the "waste heat" used in the present invention is regenerated from a geothermal source. The result of using geothermal heat in conjunction with a gas turbine at an optimal level of combustion is the production of a stable amount of energy (regardless of the quality or stability of the geothermal energy source itself). Since the advantages of the present invention are largely associated with additional combustion in the HRSG, the geothermal energy source in this application can be used through heat exchangers to supply such additional combustion in the HRSG, thereby replacing the fuel and / or heat that is typically supplied for this purpose. Thus, a decrease in the production and / or efficiency of a geothermal energy source will only lead to an adequate increase in additional combustion from other fuel and / or heat sources. Power plant performance parameters remain constant, and may even increase for the upgraded power plants discussed in other sections of this document.

Применение для теплоэнергетических системApplication for heat power systems

Как указывалось ранее, настоящее изобретение применимо для теплоэнергетических систем и вариантов связанного производства тепла и энергии, в которых и ведущий вал, и теплота используются в единых условиях эксплуатации, как, например, в коммерческих энергосистемах общего пользования и промышленных электростанциях. В таких системах определенное количество тепла от электростанции с комбинированием циклов может использоваться для пространственного нагрева, химической обработки сырья, переработки пульпы, просушивания бумаги, комбинированного производства тепловой и электрической энергии и/или для иных промышленных процессов и т.п.As mentioned earlier, the present invention is applicable to heat power systems and options for the associated production of heat and energy, in which both the drive shaft and the heat are used under the same operating conditions, as, for example, in commercial public power systems and industrial power plants. In such systems, a certain amount of heat from a power plant with combined cycles can be used for spatial heating, chemical processing of raw materials, pulp processing, paper drying, combined production of heat and electric energy and / or for other industrial processes, etc.

Ожидается, что особенно широкое применение настоящее изобретение найдет во всех формах теплоэнергетических систем и систем связанного производства тепла и электроэнергии. При этом приведенные примеры иллюстрируют только диапазон применения настоящего изобретения. Специалисты несомненно расширят спектр его применения без ущерба для общей направленности настоящего изобретения.It is expected that the invention will find particularly widespread application in all forms of heat power systems and systems for the associated production of heat and electricity. However, the above examples illustrate only the range of application of the present invention. Specialists will undoubtedly expand the range of its application without prejudice to the general thrust of the present invention.

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯCOMPARISON OF FUNCTIONING EFFICIENCY

Выбор оптимального соотношения производительности паровой/газовой турбинChoosing the optimal steam / gas turbine performance ratio

Для преодоления проблем работы с частичной нагрузкой, связанных с изменением нагрузки системы электроснабжения, в соответствии с настоящим изобретением в качестве первичного двигателя используют паровую турбину. Паровая турбина может легко уменьшить нагрузку путем закрытия впускных клапанов или изменения впускного давления в двигателе (за счет изменения уровня дополнительного горения). Это оказывает слабое влияние на эффективность работы при неполной нагрузке по сравнению с ослаблением температуры горения, наблюдающимся в случае газовой турбины. Кроме того, паровая турбина может быть спроектирована на оптимальную эффективность при проектном уровне неполной нагрузки, тогда как газовая турбина почти всегда наиболее эффективна при полной нагрузке.To overcome the problems of working with a partial load associated with a change in the load of the power supply system, in accordance with the present invention, a steam turbine is used as the primary engine. A steam turbine can easily reduce the load by closing the intake valves or changing the intake pressure in the engine (by changing the level of additional combustion). This has a weak effect on the efficiency at part load compared to the attenuation of the combustion temperature observed in the case of a gas turbine. In addition, a steam turbine can be designed for optimum efficiency at a design level of partial load, while a gas turbine is almost always the most efficient at full load.

Понимание различий между газовой и паровой турбинами определяет преимущества, имеющиеся у паровой турбины с точки зрения ее эксплуатационной гибкости. Газовые турбины состоят из секции компрессора, сжимающего поступающий воздух (обычно в условиях, соответствующих окружающей среде), от трехкратного до тридцатикратного уровня атмосферного давления. Затем этот воздух должен поступать в зону горения, где он нагревается при сжигании топлива от 1600 до 2600°F при полной нагрузке в зависимости от проектных параметров газовой турбины. Эти горячие и сжатые газы затем расширяются через секцию турбины в газовую турбину для производства энергии, приводящей в действие не только компрессор, но также и генератор. Приблизительно 2/3 энергии, выработанной в этой секции турбины, необходимо для работы воздушного компрессора, а оставшаяся 1/3 - используется для работы электрического генератора. В связи со сложностью разработки, связанной с необходимостью согласования компрессора, системы горения, и секции турбины для обеспечения работы в режиме комплексной системы, газовые турбины являются очень сложными по своей структуре машинами. У производителей обычно имеются различные модели газовых турбин. Однако они проектируются для несовпадающих величин выработки или мощности. Создание модели в соответствии со спецификацией заказчика маловероятно, и экономически не выгодно.Understanding the differences between gas and steam turbines determines the advantages available to a steam turbine in terms of its operational flexibility. Gas turbines consist of a compressor section that compresses the incoming air (usually under environmental conditions), from three to thirty times the level of atmospheric pressure. This air should then enter the combustion zone, where it heats up when the fuel is burned from 1600 to 2600 ° F at full load, depending on the design parameters of the gas turbine. These hot and compressed gases are then expanded through a turbine section into a gas turbine to produce energy that drives not only the compressor, but also the generator. About 2/3 of the energy generated in this section of the turbine is necessary for the operation of the air compressor, and the remaining 1/3 is used for the operation of the electric generator. Due to the complexity of development associated with the need to coordinate a compressor, a combustion system, and a turbine section to ensure operation in an integrated system mode, gas turbines are very complex machines in their structure. Manufacturers usually have various gas turbine models. However, they are designed for non-matching output or power values. Creating a model in accordance with the specifications of the customer is unlikely, and not economically viable.

Паровые турбины, в свою очередь, обладают очень гибкими проектными возможностями. Они рассчитываются по определенным параметрам насосов котла электростанции для образования воды под давлением и параметрам самого котла электростанции для обеспечения образования теплоты для превращения этой сжатой воды в пар. По этой причине паровую турбину можно легко приспосабливать к требованиям энергии на этапе проектировки, путем простого изменения в конфигурации, направленного на обеспечение увеличения пропускных способностей турбины для прохождения большего потока пара. Это легко достигается посредством использования больших по размеру стационарных или вращающихся лопастей в паровой турбине. Обычно конструктор паровой турбины имеет возможность выбора из семейства лопастей в секции высокого давления паровой турбины, которые могут прирастать не более чем на 0,25 дюйма. Лопасти в секциях низкого давления турбины обычно имеют более высокие величины приращения. При таком проектировании две различные паровые турбины могут иметь мощность, варьирующую в диапазоне от 100 до 300 МВт, и тем не менее обе могут подходить для одного и того же корпуса (внешний вид у этих двух турбин идентичный). Ключевое различие создают лопасти внутри паровой турбины и пропускная способность каждой турбины.Steam turbines, in turn, have very flexible design capabilities. They are calculated according to certain parameters of the pumps of the boiler of the power plant for the formation of water under pressure and the parameters of the boiler of the power plant to ensure the formation of heat to turn this compressed water into steam. For this reason, a steam turbine can be easily adapted to energy requirements at the design stage by simply changing the configuration to increase the turbine's throughput to allow for a larger steam flow. This is easily achieved through the use of large stationary or rotating blades in a steam turbine. Typically, a steam turbine designer has the option of selecting from a family of vanes in the high pressure section of a steam turbine that can grow by no more than 0.25 inches. The blades in the low pressure sections of the turbine usually have higher increment values. With this design, two different steam turbines can have power ranging from 100 to 300 MW, and yet both can be suitable for the same casing (the appearance of the two turbines is identical). The key difference is the blades inside the steam turbine and the throughput of each turbine.

Кроме того, путем надлежащего выбора лопастей низкого давления возможно "перегрузить", с точки зрения эффективности, лопасти последнего каскада при полной нагрузке. По этой причине при полной нагрузке эти лопасти становятся менее эффективными, чем при частичной нагрузке. Затем при уменьшении нагрузки эффективность отсека низкого давления увеличивается. Такой проект является предпочтительным для электростанций, большую часть времени работающих с частичной нагрузкой, но связанных с необходимостью достигать пиковой нагрузки в течение короткого промежутка времени. Именно эта их эксплуатационная гибкость в соединении с низкой потребностью в техобслуживании и проверенной надежностью объясняет предпочтительность использования паровых турбин в качестве первичного двигателя в электростанции с комбинированием циклов.In addition, by appropriate selection of the low pressure vanes, it is possible to “overload”, in terms of efficiency, the vanes of the last stage at full load. For this reason, at full load, these blades become less efficient than at partial load. Then, as the load decreases, the efficiency of the low-pressure compartment increases. Such a project is preferable for power plants, most of the time working with a partial load, but associated with the need to achieve peak load in a short period of time. It is precisely their operational flexibility coupled with a low maintenance requirement and proven reliability that explains the preference for using steam turbines as the primary engine in a combined cycle power plant.

Некоторые предпочтительные варианты настоящего изобретения представляют собой систему, в которой выхлопные газы входят в ПГРТ, как при существующем уровне техники. Однако эти выхлопные газы обычно содержат большое количество кислорода. В частности, содержание кислорода в воздухе обычно уменьшается с 21% в окружающем воздухе до 12-15% в выхлопах обычной газовой турбины при полной нагрузке. В результате большое количество кислорода остается в выхлопных газах газовой турбины для сжигания дополнительного топлива. Если бы сжигалось достаточное количество топлива, весь пар, который производился бы как пар низкого давления в соответствии с уровнем техники, мог бы быть обогащен до уровня пара высокого давления при соответствующей модернизации системы, описанной в предпочтительном варианте настоящего изобретения. В этом случае, поток пара высокого давления значительно увеличится, а емкость паровой турбины относительно газовой турбины, или газовых турбин, (соотношение энергии паровой/газовой турбин) изменится с номинальной величины 0,5 для существующего уровня техники до величины, обычно превышающей 1,0. По этой причине вместо того, чтобы в первую очередь следовать идее реализации газотурбинного цикла с паротурбинным циклом регенерации, настоящее изобретение скорее является традиционной паровой электростанцией с дополнительной газотурбинной выработкой энергии и системой трубопроводов для направления выхлопных газов от газовой турбины в котлы паровой электростанции для предварительного нагрева воздуха и повышения эффективности котла. Для максимального увеличения производительности в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения необходима полная интеграция циклов, включая использование сбросовой теплоты, нагревания питающей воды и введения системы управления для оптимизации передачи теплоотдачи.Some preferred embodiments of the present invention are a system in which exhaust gases are included in a HRSG, as in the state of the art. However, these exhaust gases usually contain a large amount of oxygen. In particular, the oxygen content in the air usually decreases from 21% in ambient air to 12-15% in the exhaust of a conventional gas turbine at full load. As a result, a large amount of oxygen remains in the exhaust gas of the gas turbine to burn additional fuel. If enough fuel were burned, all of the steam that would be produced as low pressure steam in accordance with the prior art could be enriched to the level of high pressure steam with a corresponding modernization of the system described in the preferred embodiment of the present invention. In this case, the high-pressure steam flow will increase significantly, and the capacity of the steam turbine relative to the gas turbine or gas turbines (steam / gas turbine energy ratio) will change from a nominal value of 0.5 for the existing level of technology to a value usually exceeding 1.0 . For this reason, instead of primarily following the idea of implementing a gas turbine cycle with a steam turbine regeneration cycle, the present invention is rather a traditional steam power plant with additional gas turbine power generation and a piping system for directing exhaust gases from a gas turbine to boilers of a steam power plant for preheating air and increase boiler efficiency. In order to maximize productivity, in accordance with some embodiments of the present invention, complete integration of the cycles is required, including the use of waste heat, heating of the supply water and the introduction of a control system to optimize heat transfer.

Сравнение уровня техники и вариантов реализации изобретенияComparison of the prior art and embodiments of the invention

Как подробно описано, технология комбинирования циклов в существующем уровне техники корнями уходит в технологию небольших теплоэлектростанций. В современной электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники выхлопные газы из газовой турбины поступают в ПГРТ, обычно имеющий два или три уровня давления. Пар с каждого из этих уровней давления затем направляется в надлежащую точку паровой турбины, соответствующую уровню давления секции ПГРТ. Дополнительное горение используется в качестве средства для достижения более высокой мощности, но к этому прибегают непостоянно для удовлетворения пиковых потребностей по нагрузке, причем более высокая мощность достигается только при уменьшении тепловой эффективности. Основное управление нагрузкой электростанции с комбинированием циклов в предшествующем уровне техники по-прежнему осуществляется путем модулирования нагрузки газовой турбины. ПГРТ единого давления могут использоваться с соответствующим уменьшением тепловой эффективности. Впускные отверстия более высокого давления в паровую турбину не оправданы, так как низкие объемные расходы потоки в паровую турбину перекрывают любые преимущества процесса, достигнутые благодаря высокому давлению, в связи с уменьшением производительности турбины в секции высокого давления.As described in detail, the technology of combining cycles in the current level of technology is rooted in the technology of small thermal power plants. In a modern power plant with combined cycles in the prior art, the exhaust gases from a gas turbine enter a HRSG, typically having two or three pressure levels. The steam from each of these pressure levels is then directed to the appropriate point on the steam turbine, corresponding to the pressure level of the PGRT section. Additional combustion is used as a means to achieve higher power, but this is resorted to intermittently to meet peak load requirements, and higher power is achieved only with a decrease in thermal efficiency. The main load control of a power plant with combined cycles in the prior art is still carried out by modulating the load of a gas turbine. PGRT single pressure can be used with a corresponding decrease in thermal efficiency. Higher pressure inlets to the steam turbine are not justified, since the low volumetric flow rates to the steam turbine block any advantages of the process achieved due to the high pressure due to a decrease in turbine productivity in the high pressure section.

При использовании технологии комбинирования циклов из предшествующего уровня техники электростанция в основном представляет собой электростанцию на основе работы газовой турбины с добавлением ПГРТ для регенерации сбросовой теплоты. Паровая турбина проектируется также с учетом наилучшего использования такого регенерированного тепла (которое преобразуется в пар в ПГРТ под давлением различного уровня). Типичное соотношение мощности паровой/газовой турбины для таких электростанций с комбинированием циклов составляет от 40 до 60%, и для электростанции модели GE S207FA обычно достигает приблизительно 0,57. При необходимости использовать пар высокого, промежуточного и низкого давления паровая турбина имеет достаточно низкие потоки в секции высокого давления и высокие потоки в секции низкого давления. Это уменьшает эффективность по объемным расходам высокого давления и увеличивает относительные размеры и стоимость выхлопных отсеков. Нагревание питающей воды производится в ПГРТ и не используется традиционное нагревание питающей воды при помощи отбора пара паровой турбины. Может использоваться предварительное нагревание питающей воды от конденсатора, но целью данного процесса является не повышение эффективности, а скорее потребность избежать конденсации паров воды в выхлопных газах. Поскольку вода содержится в попадающем внутрь воздухе, а также образуется как продукт горения углеводородного топлива, повышенная концентрация паров воды в выхлопных газах понижает точку росы. Холодная вода, поступающая непосредственно из конденсатора, может вызвать конденсацию на трубках и пластинах экономайзера. Такая конденсация проявила способность приводить к коррозии пластин, уменьшая эффективность теплообмена, а также оказывать пагубное влияние на работу ПГРТ. Таким образом, использование устройства для предварительного нагревания воды возможно в некоторых вариантах применения.Using the combined cycle technology of the prior art, the power plant is basically a power plant based on the operation of a gas turbine with the addition of HRSG to regenerate waste heat. A steam turbine is also designed taking into account the best use of such regenerated heat (which is converted into steam in HRSG under pressure of various levels). A typical steam / gas turbine power ratio for such combined cycle power plants is between 40 and 60%, and for a GE Model S207FA power plant it typically reaches approximately 0.57. If it is necessary to use high, intermediate and low pressure steam, the steam turbine has sufficiently low flows in the high pressure section and high flows in the low pressure section. This reduces the efficiency in volumetric flow of high pressure and increases the relative size and cost of the exhaust compartments. The feed water is heated in PGRT and the traditional feed water heating is not used by steam extraction of a steam turbine. Preheating of the supply water from the condenser may be used, but the purpose of this process is not to increase efficiency, but rather the need to avoid condensation of water vapor in the exhaust gases. Since water is contained in the air entering the interior and is also formed as a combustion product of hydrocarbon fuels, an increased concentration of water vapor in the exhaust gases lowers the dew point. Cold water coming directly from the condenser can cause condensation on the tubes and plates of the economizer. Such condensation showed the ability to lead to corrosion of the plates, reducing the efficiency of heat transfer, and also have a detrimental effect on the operation of HRSG. Thus, the use of a device for preheating water is possible in some applications.

В заключение хотелось бы сказать, что электростанция с комбинированием циклов предшествующего уровня техники является прежде всего электростанцией газотурбинной с использованием парового цикла, разработанного для достижения компромисса между наилучшей эффективностью цикла и оптимальным уровнем регенерации тепла выхлопных газов. Имеются такие возможности, как дополнительное горение, для увеличения мощности электростанции на номинальную величину (обычно менее 25%), но такой прирост становится доступным в ущерб тепловой мощности электростанции. В связи с жесткостью проектных параметров газовой турбины уровень эксплуатационной гибкости с точки зрения мощности или собственно конструкции электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники достаточно низок. По существу, предшествующий уровень техники представляет собой жесткие проекты электростанций, основанных на использовании газотурбинного двигателя или комплекта двигателей, использующих ПГРТ и паровую турбину номинальной мощности на уровне 50% мощности газовой турбины. Паровая турбина работает в зависимом режиме и следует нагрузке газовой турбины.In conclusion, I would like to say that the combined cycle power plant of the prior art is primarily a gas turbine power plant using a steam cycle designed to achieve a compromise between the best cycle efficiency and the optimal level of heat recovery of exhaust gases. There are opportunities such as additional combustion to increase the capacity of the power plant by a nominal amount (usually less than 25%), but such an increase becomes available to the detriment of the thermal power of the power plant. Due to the rigidity of the design parameters of the gas turbine, the level of operational flexibility in terms of power or the actual design of the power plant with a combination of prior art cycles is quite low. Essentially, prior art is a rigid power plant design based on the use of a gas turbine engine or a set of engines using PGRT and a steam turbine with a rated power of 50% of the gas turbine power. The steam turbine operates in dependent mode and follows the load of the gas turbine.

В некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением газовая турбина осуществляет выхлопы в ПГРТ единого уровня давления (или в основном единого уровня давления), спроектированного для поддерживания постоянного дополнительного горения. Такое дополнительное горение существенно увеличивает производство пара и, следовательно, увеличивает потоки питающей воды таким образом, что дополнительные уровни давления в ПГРТ не требуются для охлаждения выхлопных газов до оптимальной температуры (приблизительно 180°F). Потоки питающей воды, превышающие оптимальные потоки через ПГРТ, направляются в традиционные нагреватели питающей воды за счет отбора пара из паровой турбины для улучшения эффективности парового цикла. Благодаря эксплуатационной гибкости, проект электростанции с комбинированием цикла, описанный в нескольких предпочтительных вариантах настоящего изобретения, имеет соотношение мощностей паровой / газовой турбины, который может изменяться от приблизительно 0,75 до 2,25. Конечно специалисты в данной промышленности понимают, что иные соотношения также возможны в объеме настоящего изобретения. Для многих вариантов изменения нагрузки электростанции газовые турбины остаются в основном на уровне или близко к уровню наиболее эффективной нагрузки (100%), а для изменения нагрузки паровой турбины изменяется интенсивность дополнительного горения.In some embodiments, in accordance with the present invention, the gas turbine exhausts the HRSG at a single pressure level (or basically a single pressure level) designed to maintain continuous additional combustion. Such additional combustion significantly increases steam production and, therefore, increases the flow of feed water in such a way that additional pressure levels in the HRSG are not required to cool the exhaust gases to the optimum temperature (approximately 180 ° F). Feed water flows that exceed optimal flows through the HRSG are routed to conventional feed water heaters by taking steam from a steam turbine to improve the efficiency of the steam cycle. Due to operational flexibility, the combined cycle power plant design described in several preferred embodiments of the present invention has a steam / gas turbine power ratio that can vary from about 0.75 to 2.25. Of course, specialists in this industry understand that other ratios are also possible within the scope of the present invention. For many options for changing the load of a power plant, gas turbines remain basically at or close to the level of the most effective load (100%), and for changing the load of a steam turbine, the intensity of additional combustion changes.

Другими словами, варианты реализации системы в соответствии с настоящим изобретением по своей сути соответствуют большой центральной паровой электростанции, подобной паровым электростанциям, известным из уровня техники, с котлом, который заменен на парогенераторы регенерации тепла (ПГРТ), постоянно сжигающие топливо, так же, как и котел в традиционной паровой электростанции. Однако теперь в рабочий цикл введены газовые турбины, подающие в котел (ПГРТ) обогащенные кислородом (12-15%) горячие газы, увеличивая эффективность цикла и обеспечивая возможность сжигания дополнительного топлива. Нагревание питающей воды осуществляется в низкотемпературных секциях ПГРТ и в традиционных нагревателях питающей воды за счет отбора пара из паровой турбины. Паровая турбина имеет больший размер и большую пропускную способность потоков пара через отсеки высокого и промежуточного давления и меньших потоков - через отсек низкого давления (пар, извлекаемый для нагревания питающей воды, уменьшает торцевой поток выхлопа), увеличивая эффективность объемных расходов и уменьшая относительные объемы выхлопов. В некоторых вариантах реализации настоящее изобретение представляет собой электростанции с комбинированием циклов, имеющие большие эксплуатационную гибкость, производительность при работе с полной и частичной нагрузкой, а также являющиеся менее дорогостоящими для производства, эксплуатации и техобслуживания.In other words, embodiments of the system in accordance with the present invention inherently correspond to a large central steam power plant, similar to steam power plants known in the art, with a boiler that has been replaced by heat recovery steam generators (PGRT) that constantly burn fuel, just like and boiler in a traditional steam power station. However, now gas turbines are introduced into the working cycle, which supply hot gases enriched with oxygen (12-15%) to the boiler (PGRT), increasing the efficiency of the cycle and providing the possibility of burning additional fuel. The feed water is heated in the low-temperature sections of the PGRT and in traditional feed water heaters due to the extraction of steam from the steam turbine. A steam turbine has a larger size and greater throughput of steam flows through the high and intermediate pressure compartments and smaller flows - through the low pressure compartment (the steam extracted to heat the supply water reduces the end flow of the exhaust), increasing the efficiency of volumetric flow rates and reducing the relative volume of exhausts. In some embodiments, the present invention is a combined cycle power plant with great operational flexibility, full and partial load performance, and less costly to manufacture, operate, and maintain.

Основные затраты на техническое обеспечениеMajor hardware costs

Кроме затрат на топливо и капитальных затрат, еще одной статьей расходов электростанций с комбинированием циклов является стоимость технического обеспечения, особенно, техобслуживание основных объектов, таких как паровая турбина и газовая турбина. Затраты на техническое обеспечение меняются для разных моделей оборудования, его сложности, а также уровня обслуживания (высокая или низкая температура, постоянная работа цикла и т.п.). Обычные затраты на техобслуживание исследуются на основе показателя цена/киловатт-час энергии (mills/кВт·ч, где “mill” - 0,001 доллара США или 0,1 цента). Далее следует перечень предполагаемых затрат на техобслуживание для некоторых наиболее важных объектов оборудования вместе с ежегодными затратами на техобслуживание из расчета нормы мощности 200 МВт при производительности 70% (1 500 000 000 кВт·ч в год):In addition to fuel and capital costs, another cost item for combined cycle power plants is the cost of technical support, especially the maintenance of key facilities such as a steam turbine and gas turbine. The cost of technical support varies for different models of equipment, its complexity, as well as the level of service (high or low temperature, continuous cycle operation, etc.). Typical maintenance costs are investigated based on the price / kilowatt-hour of energy (mills / kWh, where “mill” is $ 0.001 or 0.1 cents). The following is a list of estimated maintenance costs for some of the most important equipment items along with annual maintenance costs based on a power rating of 200 MW at a capacity of 70% (1,500,000,000 kWh per year):

Оборудование (модель)Equipment (model) Периодичность технического обслуживания (mills/kWh)Maintenance Intervals (mills / kWh) Годовые затраты (долл. США)Annual costs (US $) Паровая турбина 2400 фунтов на кв. дюйм (psia)2400 psi Steam Turbine inch (psia) 0,50.5 750000750,000 Газовая турбина GE Frame &FAGas turbine GE Frame & FA 2,52,5 37500003750000 Газовая турбина Westinghouse 501 GGas turbine Westinghouse 501 G 4,54,5 67500006750000

Как видно из таблицы, гораздо более дорогим является техобслуживание при эксплуатации газовой турбины, чем паровой турбины. Кроме того, газовая турбина прогрессивной технологии (модель 501G) - с повышенной температурой горения, монокристаллическими лопастями и паро-охлаждаемой секцией горения, - с точки зрения техобслуживания также является дорогостоящим объектом.As can be seen from the table, maintenance during the operation of a gas turbine is much more expensive than a steam turbine. In addition, a gas turbine of progressive technology (Model 501G) - with an increased combustion temperature, single-crystal blades and a steam-cooled combustion section - is also an expensive object from the point of view of maintenance.

В предшествующем уровне техники газовые турбины производят приблизительно 67% энергии, а паровая турбина - 33% (соотношение мощностей паровой/газовой турбины 0,5:0,1). Так как газовые турбины модулируются для изменения нагрузки, а паровая турбина следует за этими изменениями, такое соотношение достаточно постоянно на всем диапазоне нагрузки. По этой причине за год эксплуатации в электростанции с комбинированием циклов предшествующего уровня техники фактор техобслуживания газовой турбины относился бы к 67% произведенных киловатт-часов энергии, а фактор техобслуживания паровой турбины - к 33%.In the prior art, gas turbines produce approximately 67% of energy, and a steam turbine - 33% (steam / gas turbine power ratio 0.5: 0.1). Since gas turbines are modulated to change the load, and the steam turbine follows these changes, this ratio is fairly constant over the entire load range. For this reason, for a year of operation in a power plant with a combination of prior art cycles, the gas turbine maintenance factor would relate to 67% of the generated kilowatt hours of energy, and the steam turbine maintenance factor to 33%.

В некоторых вариантах реализации в соответствии с настоящим изобретением соотношения не так просты, поскольку как при изменении всей нагрузки электростанции мощность паровой турбины модулируется до самой высокой степени возможного, а мощность газовых турбин поддерживается на уровне полной нагрузки или близко к этому уровню.In some embodiments in accordance with the present invention, the ratios are not so simple, since when changing the entire load of a power plant, the power of a steam turbine is modulated to the highest degree possible, and the power of gas turbines is maintained at or close to full load.

Сравнение производительностей при частичной нагрузкеPartial Load Performance Comparison

Выводы настоящего изобретения наилучшим образом становятся наглядными при сравнении эксплуатационных показателей, показанных графически на Фиг.6, 15, 33 и 22-28.The conclusions of the present invention in the best way become apparent when comparing the operational indicators shown graphically in Fig.6, 15, 33 and 22-28.

Фиг.33 иллюстрирует различия эксплуатации при частичной нагрузке между двумя современными обычными электростанциями с комбинированием циклов и двумя вариантами реализации электростанций в соответствии с настоящим изобретением. График демонстрирует, что эксплуатационные показатели вариантов в соответствии с настоящим изобретением значительно выше, чем те же показатели традиционных электростанций с комбинированием циклов в режиме частичной нагрузки. Как видно из сравнительных данных в таблицах на Фиг.25 и 27, в противоположность типичному профилю эксплуатационных показателей в соответствии с настоящим изобретением используется меньше топлива и требуется на 100 миллионов долларов США меньше средств на сооружение, кроме того, уровень выбросов NOX для этих вариантов составляет менее 1/3 от уровня выбросов электростанции с комбинированием циклов модели Westinghouse. Таким образом, вариант реализации настоящего изобретения, показанный на Фиг.26, приводит к экономии средств и одновременной экономии на загрязнении окружающей среды за счет уменьшенного уровня вредных выбросов NOX. Такие свойства характерны для вариантов реализации в соответствии с настоящим изобретением и по существу представляют лучшие возможности в двух массивах задач - достижение экономической эффективности с одновременным уменьшением уровня загрязнения окружающей среды.33 illustrates the differences in partial load operation between two modern conventional combined cycle power plants and two power plant embodiments in accordance with the present invention. The graph shows that the performance of the options in accordance with the present invention is significantly higher than the same performance of conventional power plants with combined cycles in partial load mode. As can be seen from the comparative data in the tables in Figs. 25 and 27, in contrast to the typical performance profile in accordance with the present invention, less fuel is used and 100 million US dollars less is required for the construction, in addition, the NOX level for these options is less than 1/3 of the power plant’s emissions with a combined Westinghouse model cycle. Thus, the embodiment of the present invention shown in FIG. 26 leads to cost savings and a simultaneous saving on environmental pollution due to the reduced level of harmful NOX emissions. Such properties are characteristic of the implementation options in accordance with the present invention and essentially represent the best opportunities in two arrays of tasks - achieving economic efficiency while reducing environmental pollution.

Для использования в соответствии с настоящим изобретением ПГРТ, по сравнению с предшествующим уровнем техники, должен иметь более прочную конструкцию, чтобы выдерживать повышенные давление и температуры. Это достигается несколькими путями. Во-первых, использованием водного экрана (вертикальных трубок, наполненных питающей водой), который может требоваться для ограждения топливного пространства ПГРТ для защиты от высоких температур горения. Как альтернатива, выхлопные газы могут сначала охлаждаться, проходя секцию пароперегревателя (приблизительно до 800°F), затем могут быть повторно нагреты до 1600°F перед дальнейшим прохождением через ПГРТ. В настоящее время 1600°F является верхним пределом температуры, указанным для стандартной конструкции ПГРТ производителями. Другой альтернативой является использование двойных решеток из горелок в ПГРТ. После нагревания выхлопных газов газовой турбины до 1600°F обеспечивается их охлаждение через начальные отсеки ПГРТ, затем посредством горения в нижней точке потока добавляют еще топлива (теплоты). По сравнению с одной горелкой, это приводит к практическому удваиванию количества теплоты без превышения предельных температур ПГРТ.For use in accordance with the present invention, PGRT, in comparison with the prior art, must have a more robust construction to withstand elevated pressures and temperatures. This is achieved in several ways. Firstly, the use of a water screen (vertical tubes filled with feed water), which may be required to enclose the PGRT fuel space to protect it from high combustion temperatures. Alternatively, the exhaust gases may first be cooled by passing through a superheater section (approximately 800 ° F), then they may be reheated to 1600 ° F before further passing through the HRSG. 1600 ° F is currently the upper temperature limit specified by manufacturers for standard PGRT design. Another alternative is to use double burner gratings in PGRT. After heating the exhaust gases of the gas turbine to 1600 ° F, they are cooled through the initial compartments of the HRSG, then, through combustion, more fuel (heat) is added to the lower point of the stream. Compared to a single burner, this leads to a practical doubling of the amount of heat without exceeding the limiting temperatures of the PGRT.

ЗАКЛЮЧЕНИЕCONCLUSION

Настоящее изобретение предполагает большое количество вариантов применения, но необходимо заметить, что в свете современных тенденций в энергетической промышленности особенно выигрышным является его использование в области создания электростанций с комбинированием циклов. В предшествующем уровне техники не было использовано дополнительное горение в ПГРТ как средство повышения производительности электростанции в целом, а настоящее изобретение использует эту концепцию.The present invention involves a large number of applications, but it should be noted that in the light of modern trends in the energy industry, its use in the field of creating power plants with combined cycles is especially advantageous. In the prior art, additional combustion in PGRT was not used as a means of increasing the productivity of the power plant as a whole, and the present invention uses this concept.

В контексте общего улучшения эффективности системы настоящее изобретение выдвигает идею использования дополнительного горения не для образования большего количества пара, как это имело место в известных вариантах производства электроэнергии, а для производства пара лучшего качества (высокого массового паросодержания). Отсюда следует, что при расходовании дополнительного топлива на дополнительное горение в ПГРТ, возможно производить более высокоэнергетический и, таким образом, более высокоэффективный пар, если его использовать в соединении с соответствующим двигателем нижнего цикла.In the context of a general improvement in the efficiency of the system, the present invention puts forward the idea of using additional combustion not to produce more steam, as was the case in the known options for generating electricity, but to produce better quality steam (high mass vapor content). It follows that when spending additional fuel on additional combustion in PGRT, it is possible to produce higher energy and, thus, more highly efficient steam, if used in conjunction with the corresponding lower cycle engine.

Использование настоящего изобретения для производства электроэнергии потребует производства парогенераторов регенерации тепла (ПГРТ), способных выдерживать более высокие по сравнению с современными нормами температуры, при этом материалы, способные обеспечить достижения этих целей, доступны, и паровые электростанции и ПГРТ предшествующего уровня техники продемонстрировали возможность выдерживать такие увеличенные уровни температуры. Кроме того, приведенные данные указывают, что во многих обстоятельствах такие ПГРТ имеют меньшие по сравнению с существующими моделями размеры, то есть и затраты на их сооружение, и техобслуживание могут быть сравнимы или даже меньше, чем для существующих моделей. Кроме того, возможность данных ПГРТ использовать единый уровень давления, в ряде случаев может приводить к экономии в их разработке и сооружении.Using the present invention to generate electricity will require the production of heat recovery steam generators (PGRT) capable of withstanding higher temperatures than current standards, while materials capable of achieving these goals are available, and prior art steam power plants and PGRT have demonstrated the ability to withstand such increased temperature levels. In addition, the data presented indicate that in many circumstances such PGRT are smaller in comparison with existing models, that is, the costs of their construction and maintenance can be comparable or even less than for existing models. In addition, the ability of PGRT data to use a single pressure level, in some cases, can lead to savings in their development and construction.

Необходимо подчеркнуть, что с точки зрения плотности энергии в соответствии с настоящим изобретением имеются потенциальные возможности для значительного расширения количества аппаратных средств, необходимых для реализации электростанции. Для достижения удовлетворительного уровня общей производительности, традиционные электростанции используют несколько газовых и паровых турбин, и, когда такие объекты работают с частичной нагрузкой, вся система может эксплуатироваться на приемлемом уровне эффективности. В основном это связано с тем, что эксплуатация газовой турбины при частичной нагрузке обычно является очень неэффективной. Настоящее изобретение решает проблему такого пагубного влияния посредством эксплуатации всех газовых турбин с оптимальной эффективностью (экономической и экологической), позволяя, таким образом, при меньшем количестве работающих газовых турбин, достигать таких же общей эффективности и уровня воздействия на окружающую среду, потребляя между тем меньшее количество вспомогательных ресурсов.It must be emphasized that from the point of view of energy density in accordance with the present invention there are potential opportunities for a significant expansion of the number of hardware required for the implementation of the power plant. To achieve a satisfactory level of overall performance, traditional power plants use several gas and steam turbines, and when such facilities operate at partial load, the entire system can be operated at an acceptable level of efficiency. This is mainly due to the fact that the operation of a gas turbine at partial load is usually very inefficient. The present invention solves the problem of such detrimental effects by operating all gas turbines with optimum efficiency (economic and environmental), thus allowing, with fewer gas turbines to be operated, to achieve the same overall efficiency and environmental impact, while consuming less auxiliary resources.

Эти возможности усовершенствования эффективности в соответствии с настоящим изобретением дополняются механизмом, при помощи которого мощность электростанции может временно превышать свой номинальный уровень, хотя и при меньшем уровне эффективности. Такое превышение мощности электростанции для обеспечения работы в режиме повышенных нагрузок может явиться важным фактором с точки зрения экономической стороны вопросов строительства электростанции из-за препятствий, поскольку проблемы охраны окружающей среды и материально-технического снабжения, которые необходимо преодолеть для строительства новых электростанций, становятся в ряд первостепенных вопросов для определении целесообразности строительства новых электростанций. При этом настоящее изобретение допускает полезное использование существующих электростанций, расширяя их собственные возможности, за счет динамической адаптации характеристик электростанции для соответствия временным перегрузкам. Такая способность может привести к значительной экономии средств и более экологически безопасному использованию электростанции в соответствии с настоящим изобретением, благодаря уменьшению дополнительного привлечения финансовых затрат и издержек, связанных с охраной окружающей среды, в свете требований временного увеличения выработки электростанции.These opportunities for improving efficiency in accordance with the present invention are complemented by a mechanism by which the power of a power plant can temporarily exceed its nominal level, albeit with a lower level of efficiency. Such an excess of power of the power plant to ensure operation under increased loads can be an important factor from the point of view of the economic side of the construction of the power plant due to obstacles, since environmental protection and logistics problems that must be overcome for the construction of new power plants priority issues to determine the feasibility of building new power plants. Moreover, the present invention allows the beneficial use of existing power plants, expanding their own capabilities, due to the dynamic adaptation of the characteristics of the power plant to meet temporary overloads. This ability can lead to significant cost savings and more environmentally friendly use of the power plant in accordance with the present invention, by reducing the additional attraction of financial costs and costs associated with environmental protection, in light of the requirements for a temporary increase in power plant output.

В завершение следует подчеркнуть, что если в прошлом усилия по разработке электростанций были направлены на оптимизацию функционирования на основании только затрат на топливо, электростанции будущего должны инкорпорировать и оптимизировать капитальные затраты, издержки, связанные с воздействием на окружающую среду, стоимость объектов недвижимости, затраты на правовое регулирование, а также вечно растущие затраты на технологии и вспомогательную технику. Задачей настоящего изобретения является рассмотрение всех этих параметров в совокупности и создание проекта электростанции, являющегося экономичным, эффективным с точки зрения производства энергии и экологически безопасным методом производства электроэнергии.In conclusion, it should be emphasized that if in the past efforts to develop power plants were aimed at optimizing the functioning based on only fuel costs, power plants of the future should incorporate and optimize capital costs, costs associated with environmental impacts, the cost of real estate, legal costs regulation, as well as ever-increasing costs of technology and auxiliary equipment. The objective of the present invention is to consider all of these parameters together and to create a project for a power plant that is economical, efficient in terms of energy production and an environmentally friendly method of generating electricity.

Хотя предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения был продемонстрирован при помощи прилагаемых чертежей и подробно описан выше; понятно, что изобретение не ограничивается описанными вариантами, и его конфигурация может быть изменена, подвержена модификации, замене компонентов, не выходя при этом за рамки сущности и объема изобретения, определенного следующей формулой.Although a preferred embodiment of the present invention has been demonstrated using the accompanying drawings and described in detail above; it is clear that the invention is not limited to the described options, and its configuration can be changed, subject to modification, replacement of components, without departing from the essence and scope of the invention defined by the following claims.

Claims (33)

1. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая1. Power plant with a combination of cycles containing а) по крайней мере, одну газовую турбину;a) at least one gas turbine; б) по крайней мере, одну паровую турбину;b) at least one steam turbine; в) по крайней мере, один парогенератор регенерации тепла, в котором поддерживается, по существу, непрерывное сжигание топлива;c) at least one heat recovery steam generator in which substantially continuous combustion of the fuel is supported; г) по крайней мере, одну систему управления, приспособленную для поддержания, по существу, оптимальной температуры отработавших газов парогенератора регенерации тепла, имеющую входы обеспечения контроля температуры отработавших газов парогенератора регенерации тепла, и выходы обеспечения оперативного управления интенсивностью потока питающей воды через парогенератор регенерации тепла, в которойd) at least one control system adapted to maintain a substantially optimal temperature of the exhaust gases of the heat recovery steam generator, having inputs for controlling the temperature of the exhaust gases of the heat recovery steam generator, and outputs for providing operational control of the flow rate of the supply water through the heat recovery steam generator, wherein названная электростанция преимущественно функционирует как система выработки энергии по циклу Ренкайна с использованием одного или нескольких парогенераторов регенерации тепла, в которых поддерживается названное сжигание топлива для подачи высокоэнергетического пара через нижний цикл к названной одной или нескольким паровым турбинам, и применяется верхний цикл Брэйтона для производства исходной энергии, потребляемой названной одной или несколькими газовыми турбинами; иsaid power plant primarily functions as a Rankine cycle power generation system using one or more heat recovery steam generators that support said combustion of fuel to supply high energy steam through a lower cycle to said one or more steam turbines, and the Braith’s upper cycle is used to produce the initial energy consumed by said one or more gas turbines; and в названной электростанции для производства высокоэнергетического пара для работы названных паровых турбин используется нижний цикл с, по существу, единым уровнем давления.in said power plant for producing high-energy steam for operation of said steam turbines, a lower cycle with a substantially uniform pressure level is used. 2. Электростанция с комбинированием циклов по п.1, в которой для повышения эффективности циклов используется нагревание питающей воды при помощи пара, выделяемого паровой турбиной.2. A power plant with combined cycles according to claim 1, in which, to increase the efficiency of the cycles, heating of the feed water with the help of steam generated by a steam turbine is used. 3. Электростанция с комбинированием циклов по п.1, в которой пар высокого давления при номинальной мощности электростанции преимущественно находится в состоянии сверхкритического давления.3. The power plant with combined cycles according to claim 1, in which the high-pressure steam at the rated power of the power plant is mainly in a supercritical pressure state. 4. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая4. Power plant with a combination of cycles containing а) одну или более газовых турбин,a) one or more gas turbines, б) одну или более паровых турбин иb) one or more steam turbines and в) один или более парогенераторов регенерации тепла с дополнительным сжиганием топлива,c) one or more steam generators of heat recovery with additional combustion of fuel, в которой коэффициент эксплуатации номинальной мощности как отношение суммы выработки всех паровых турбин к сумме выработки всех газовых турбин составляет величину, превышающую 0,75; названное дополнительное сжигание топлива названного одного или нескольких парогенераторов, по существу, является постоянным; в названной электростанции для производства высокоэнергетического пара для работы названной одной или нескольких паровых турбин используется нижний цикл с, по существу, единым уровнем давления.in which the coefficient of operation of the rated power as the ratio of the total production of all steam turbines to the total production of all gas turbines is more than 0.75; said additional combustion of the fuel of said one or more steam generators is substantially constant; in the named power plant for the production of high-energy steam for the operation of the named one or more steam turbines uses the lower cycle with a substantially uniform pressure level. 5. Электростанция с комбинированием циклов по п.4, в которой для повышения эффективности циклов используется нагревание питающей воды при помощи пара, выделяемого паровой турбиной.5. A power plant with a combination of cycles according to claim 4, in which to increase the efficiency of the cycles, heating of the feed water is used with the help of steam emitted by a steam turbine. 6. Электростанция с комбинированием циклов по п.4, в которой для выработки сопутствующего тепла и/или совместного производства тепловой и электрической энергии используется пар и/или энергия выхлопов газовой турбины.6. A power plant with combined cycles according to claim 4, in which steam and / or exhaust energy of a gas turbine is used to generate associated heat and / or joint production of heat and electric energy. 7. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая7. Power plant with a combination of cycles containing а) по крайней мере, одну газовую турбину;a) at least one gas turbine; б) по крайней мере, одну паровую турбину;b) at least one steam turbine; в) по крайней мере, один парогенератор регенерации тепла с дополнительным сжиганием топлива,c) at least one heat recovery steam generator with additional fuel combustion, в которой в названных парогенераторах регенерации тепла используется котел, по существу, с единым уровнем давления; названная общая входная энергия дополнительного сжигания топлива при номинальной мощности электростанции с комбинированием циклов добавляется на уровне 30% или выше, чем входная энергия, во все названные газовые турбины при их стандартной мощности по ISO; отработавшие газы на пути от выхода секции испарителя названных парогенераторов регенерации тепла до секции отработавших газов названных парогенераторов регенерации тепла охлаждаются в первую очередь за счет питающей воды; отработавший пар названных паровых турбин, подпитывающий нагреватели питающей воды, предварительно нагревает избыточную питающую воду, не подвергавшуюся предварительному нагреву в названных парогенераторах регенерации тепла; питающая вода, проходящая через отсеки нагревания питающей воды в названных парогенераторах регенерации тепла, подвергается контролю для оптимальной регенерации тепла; и давление пара внутри названных паровых турбин увеличено соразмерно увеличению объемной производительности названной паровой турбины.in which a boiler with a substantially uniform pressure level is used in said heat recovery steam generators; the said total input energy of additional fuel combustion at the rated power of the power plant with combined cycles is added at a level of 30% or higher than the input energy to all of the named gas turbines at their standard power in accordance with ISO; the exhaust gases on the way from the outlet of the evaporator section of the named heat recovery steam generators to the exhaust section of the named heat recovery steam generators are cooled primarily by the feed water; the exhaust steam of said steam turbines feeding feed water heaters preheats excess feed water that has not undergone pre-heating in said heat recovery steam generators; feed water passing through the heating compartments of the feed water in said heat recovery steam generators is controlled for optimal heat recovery; and the vapor pressure inside said steam turbines is increased in proportion to the increase in volumetric capacity of said steam turbine. 8. Электростанция с комбинированием циклов по п.7, в которой для оптимизации эффективности парового цикла теплового преобразования используется однократное или многократное повторное нагревание, повышенные температуры пара, сверхкритические, ультрасверхкритические и/или повышенные параметры состояния пара.8. The power plant with a combination of cycles according to claim 7, in which to optimize the efficiency of the steam cycle of the heat conversion, single or multiple reheating, elevated steam temperatures, supercritical, ultracritical and / or increased parameters of the state of steam are used. 9. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая9. Power plant with a combination of cycles containing а) по крайней мере, одну газовую турбину;a) at least one gas turbine; б) по крайней мере, одну паровую турбину;b) at least one steam turbine; в) по крайней мере, один парогенератор регенерации тепла с дополнительным сжиганием топлива;c) at least one steam generator for heat recovery with additional fuel combustion; г) по крайней мере, одно устройство контроля для управления температурой отработавших газов парогенератора регенерации тепла, имеющее входы, на которые поступает информация о температуре отработавших газов парогенератора регенерации тепла, и выходы, из которых, по крайней мере, один предназначен для выполнения одной из группы задач, включающей оперативное управление интенсивностью сжигания топлива в парогенераторе регенерации тепла и оперативное управление потоком питающей воды через парогенератор регенерации тепла,d) at least one control device for controlling the temperature of the exhaust gases of the heat recovery steam generator, having inputs to which information about the temperature of the exhaust gases of the heat recovery steam generator is received, and outputs of which at least one is designed to perform one of the group tasks, including the operational control of the intensity of fuel combustion in the heat recovery steam generator and the operational management of the flow of feed water through the heat recovery steam generator, в которой названное дополнительное сжигание топлива в названных парогенераторах регенерации тепла имеет постоянный характер и названное дополнительное сжигание топлива в названных парогенераторах регенерации тепла увеличивает входные температуры паровых турбин до величин, допустимых при номинальном режиме их работы.in which the said additional combustion of fuel in the said heat recovery steam generators is of a constant nature and the named additional combustion of fuel in the said heat recovery steam generators increases the inlet temperatures of the steam turbines to the values allowed under the nominal operation mode. 10. Электростанция с комбинированием циклов по п.9, в которой для увеличения производительности цикла используется нагревание питающей воды при помощи пара паровой турбины.10. The power plant with a combination of cycles according to claim 9, in which to increase the productivity of the cycle is used, heating the feed water using steam of a steam turbine. 11. Электростанция с комбинированием циклов по п.9, в которой названное дополнительное сжигание топлива и/или пар, выделяемый паровой турбиной, частично заменяется получением энергии от потерь генератора и/или иных вспомогательных устройств.11. A power plant with combined cycles according to claim 9, in which said additional combustion of fuel and / or steam generated by a steam turbine is partially replaced by energy from the losses of the generator and / or other auxiliary devices. 12. Электростанция с комбинированием циклов по п.9, в которой пар высокого давления в основном находится в сверхкритическом состоянии при номинальной выработке электростанции.12. Power plant with a combination of cycles according to claim 9, in which the high-pressure steam is mainly in a supercritical state at the rated output of the power plant. 13. Электростанция с комбинированием циклов по п.9, в которой для выработки сопутствующего тепла и/или совместного производства тепловой и электрической энергии используется пар и/или энергия выхлопов газовой турбины.13. The combined cycle power plant of claim 9, wherein steam and / or energy from the exhaust gas turbine is used to generate associated heat and / or co-production of heat and electric energy. 14. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая14. Power plant with a combination of cycles containing а) по крайней мере, одну текучую среду для переноса энергии верхнего цикла;a) at least one fluid medium for energy transfer of the upper cycle; б) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла, включающий один или несколько входов для текучей среды для переноса энергии верхнего цикла, входы для подачи топлива и/или тепла, один или несколько выходов для текучей среды для переноса энергии верхнего цикла, а также один или несколько выходов ведомой нагрузки;b) at least one upper cycle engine, including one or more fluid inlets for transferring upper cycle energy, fuel and / or heat inlets, one or more fluid outlets for transferring upper cycle energy, and one or multiple outputs of the driven load; в) по крайней мере, одно устройство для регенерации тепла, по существу, с постоянным поддержанием сжигания топлива, имеющее один или несколько входов сброса текучей среды для переноса энергии верхнего цикла, один или несколько входов для подачи топлива и/или тепла, один или несколько входов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла, один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла при одном из уровней давления, выбранном из группы, включающей низкое, промежуточное и высокое давление, а также один или несколько выходов для сброса текучей среды для переноса энергии верхнего цикла;c) at least one device for heat recovery, essentially maintaining fuel combustion continuously, having one or more inlets of a fluid outlet for transferring energy of the upper cycle, one or more inlets for supplying fuel and / or heat, one or more fluid inlet for transferring energy of the lower cycle, one or more fluid outlet for transferring energy of the lower cycle at one of the pressure levels selected from the group including low, intermediate and high pressure, as well as one or several ko output to reset the fluid for transfer of the energy of the upper loop; г) по крайней мере, одну текучую среду нижнего цикла;d) at least one lower cycle fluid; д) по крайней мере, один двигатель нижнего цикла, имеющий один или несколько входов низкого, и/или промежуточного, и/или высокого давления для поступления текучей среды для переноса энергии нижнего цикла, один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла и один или несколько выходов ведомой нагрузки;e) at least one lower cycle engine having one or more low and / or intermediate and / or high pressure inlets for receiving fluid for transferring energy of the lower cycle, one or more outlets of fluid for transferring energy of the lower cycle, and one or more outputs of the driven load; е) по крайней мере, один теплообменник, имеющий один или несколько входов, на которые поступает текучая среда для переноса энергии нижнего цикла, и один или несколько выходов для текучей среды для переноса энергии нижнего цикла;e) at least one heat exchanger having one or more inlets that receive fluid for transferring energy of the lower cycle, and one or more exits for fluid for transferring energy of the lower cycle; ж) по крайней мере, одно устройство транспортировки текучей среды, имеющее один или несколько входов, на которые поступает текучая среда для переноса энергии нижнего цикла, и один или несколько выходов для текучей среды для переноса энергии нижнего цикла; иg) at least one fluid transport device having one or more inlets that receive fluid for transferring lower cycle energy and one or more fluid outlets for transferring lower cycle energy; and з) по крайней мере, одно устройство контроля, обеспечивающее поддержание, по существу, оптимальной температуры отработавших газов устройства для регенерации тепла, имеющее входы для данных о температуре отработавших газов устройства для регенерации тепла и выходы для обеспечения оперативного управления подачей топлива и/или тепла, в которой названная текучая среда для переноса энергии верхнего цикла питает названные один или несколько входов текучей среды переноса энергии верхнего цикла двигателя верхнего цикла; горючее топливо и/или тепло питает названные один или несколько входов горючего топлива и/или тепла двигателя верхнего цикла; названные один или несколько выходов двигателя верхнего цикла питают названные один или несколько входов отработавших газов устройства для регенерации тепла; один или более источников топлива и/или тепла питают названные один или несколько входов топлива и/или тепла устройства для регенерации тепла; названные один или несколько выходов текучей среды низкого, и/или промежуточного, и/или высокого давления устройства для регенерации тепла питают названные входы текучей среды низкого, и/или промежуточного, и/или высокого давления двигателя нижнего цикла; названные один или несколько выходов сброса текучей среды в окружающую среду устройства для регенерации тепла отводится в атмосферу (прямо или косвенно) или при помощи устройства для транспортировки текучей среды могут быть направлены к названным входам двигателя верхнего цикла; названные один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла двигателя нижнего цикла являются источниками к названным одному или нескольким входам в теплообменник; названные один или несколько выходов теплообменника соединены с названными одним или несколькими входами устройства для транспортировки текучей среды; названные один или несколько выходов устройства для транспортировки текучей среды соединены с названными одним или несколькими входами устройства для регенерации тепла; названная производительность двигателя нижнего цикла повышена путем корректировки интенсивности дополнительного сжигания топлива или добавления названных топлива и/или тепла таким образом, что текучая среда под низким, и/или промежуточным, и/или высоким давлением имеет более высокое энергетическое состояние, чем без добавления таких топлива и/или тепла.h) at least one control device that maintains a substantially optimal temperature of the exhaust gases of the heat recovery device, having inputs for data on the temperature of the exhaust gases of the heat recovery device and outputs for providing operational control of the fuel and / or heat supply, wherein said upper cycle energy transfer fluid feeds said one or more inlets of the upper cycle energy transfer fluid of the upper cycle engine; combustible fuel and / or heat supplies said one or more inputs of combustible fuel and / or heat of the upper cycle engine; said one or more exits of the upper cycle engine power said one or more exits of the exhaust gases of the heat recovery device; one or more sources of fuel and / or heat supply said one or more inputs of fuel and / or heat of the heat recovery device; said one or more fluid outlets of a low and / or intermediate and / or high pressure heat recovery device feed said fluid inlets of a low and / or intermediate and / or high pressure lower cycle engine; the named one or more outputs of the discharge of fluid into the environment of the device for heat recovery is vented to the atmosphere (directly or indirectly) or by means of a device for transporting the fluid can be directed to the named inputs of the upper cycle engine; the named one or more fluid outlets for transferring energy of the lower cycle of the lower cycle engine are sources to the named one or more inputs to the heat exchanger; named one or more exits of the heat exchanger connected to the named one or more inputs of the device for transporting fluid; the named one or more outputs of the device for transporting a fluid connected to the named one or more inputs of the device for heat recovery; said lower-cycle engine productivity is improved by adjusting the intensity of additional fuel combustion or adding said fuel and / or heat so that the fluid at low and / or intermediate and / or high pressure has a higher energy state than without adding such fuels and / or heat. 15. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой названный двигатель верхнего цикла содержит одну или более газовых турбин.15. The combined cycle power plant of claim 14, wherein said top cycle engine comprises one or more gas turbines. 16. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой используется единый верхний цикл, а названный двигатель нижнего цикла содержит одну или более паровых турбин.16. A power plant with combined cycles according to claim 14, in which a single upper cycle is used, and the said lower cycle engine contains one or more steam turbines. 17. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой названная текучая среда под высоким давлением содержит преимущественно единый пар высокого давления.17. The combined cycle power plant of claim 14, wherein said high pressure fluid contains predominantly a single high pressure steam. 18. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой названная текучая среда под высоким давлением содержит преимущественно пар высокого давления в сверхкритическом состоянии при номинальной нагрузке электростанции.18. The combined cycle power plant of claim 14, wherein said high pressure fluid contains predominantly high pressure steam in a supercritical state at a rated load of the power plant. 19. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой названное устройство для регенерации тепла содержит преимущественно парогенератор регенерации тепла с единым уровнем давления.19. The combined cycle power plant of claim 14, wherein said heat recovery apparatus comprises predominantly a heat recovery steam generator with a single pressure level. 20. Электростанция с комбинированием циклов по п.14, в которой названный двигатель верхнего цикла работает, по существу, на пике производительности и/или уровня выработки энергии, а названный двигатель нижнего цикла используется для модулирования общего количества энергии, вырабатываемой электростанцией с комбинированием циклов.20. The combined cycle power plant of claim 14, wherein said upper cycle engine operates substantially at a peak in productivity and / or power generation level, and said lower cycle engine is used to modulate the total amount of energy generated by the combined cycle power station. 21. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая21. Power plant with a combination of cycles containing а) по крайней мере одну текучую среду для переноса энергии верхнего цикла;a) at least one fluid medium for energy transfer of the upper cycle; б) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла, содержащий один или несколько входов текучей среды для переноса энергии верхнего цикла, один или несколько входов для подачи топлива и/или тепла, один или несколько выходов для сброса текучей среды для переноса энергии верхнего цикла и один или несколько выходов ведомой нагрузки;b) at least one upper cycle engine containing one or more fluid inlets for transferring energy of the upper cycle, one or more inlets for supplying fuel and / or heat, one or more outlets for discharging fluid for transferring energy of the upper cycle, and one or more outputs of the driven load; в) по крайней мере, одно устройство для регенерации тепла с постоянным поддержанием сжигания топлива, работающее преимущественно при едином уровне давления и имеющее один или несколько входов сброса текучей среды для переноса энергии верхнего цикла, один или несколько входов для подачи топлива и/или тепла, один или несколько входов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла, один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла, а также один или несколько выходов сброса текучей среды для переноса энергии верхнего цикла;c) at least one device for heat recovery with constant maintenance of fuel combustion, operating mainly at a single pressure level and having one or more inlets of a fluid outlet for transferring energy of the upper cycle, one or more inlets for supplying fuel and / or heat, one or more fluid inlets for transferring energy of the lower cycle, one or more fluid outlets for transferring energy of the lower cycle, as well as one or more fluid outlets for transferring energy of the upper its cycle; г) по крайней мере, одну текучую среду для переноса энергии нижнего цикла;d) at least one fluid medium for transferring energy of the lower cycle; д) по крайней мере, один двигатель нижнего цикла, имеющий один или несколько входов для поступления текучей среды для переноса энергии нижнего цикла, один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла и один или несколько выходов ведомой нагрузки;e) at least one lower cycle engine having one or more inlets for receiving fluid for transferring energy of the lower cycle, one or more outlets of fluid for transferring energy of the lower cycle, and one or more outputs of the driven load; е) по крайней мере, один теплообменник, имеющий один или несколько входов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла и один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла;e) at least one heat exchanger having one or more inlets of a fluid for transferring energy of the lower cycle and one or more outlets of a fluid for transferring energy of the lower cycle; ж) по крайней мере, одно устройство транспортировки текучей среды, имеющее один или несколько входов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла и один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла;g) at least one fluid transport device having one or more fluid inlets for transferring lower cycle energy and one or more fluid outlets for transferring lower cycle energy; з) по крайней мере, одно устройство контроля, приспособленное для поддержания, по существу, оптимальной температуры выбросов устройства для регенерации тепла и имеющее входы данных о температуре выбросов устройства для регенерации тепла и выходы для осуществления оперативного управления интенсивностью горения в котле, работающем на горючем топливе,h) at least one control device adapted to maintain a substantially optimal temperature of the emissions of the heat recovery device and having inputs of data on the temperature of the emissions of the heat recovery device and outputs for the operational control of the combustion intensity in the boiler using combustible fuel , в которой названная текучая среда для переноса энергии верхнего цикла питает названные один или несколько входов текучей среды для переноса энергии верхнего цикла двигателя верхнего цикла; горючее топливо питает названные один или несколько входов горючего топлива и/или тепла двигателя верхнего цикла; названные один или несколько выходов двигателя верхнего цикла питают отработавшими газами названные один или несколько входов устройства для регенерации тепла; один или более источников топлива и/или тепла питают названные один или несколько входов топлива и/или тепла устройства для регенерации тепла; названные один или несколько выходов текучей среды под давлением устройства для регенерации тепла питают названные входы текучей среды под давлением двигателя нижнего цикла; названные один или несколько выходов сброса текучей среды в окружающую среду устройства для регенерации тепла отводится в атмосферу (прямо или косвенно) или при помощи устройства для транспортировки текучей среды могут быть направлены к названным входам двигателя верхнего цикла; названные один или несколько выходов текучей среды для переноса энергии нижнего цикла двигателя нижнего цикла являются источниками к названным одному или нескольким входам в теплообменник, названные один или несколько выходов теплообменника соединены с названными одним или несколькими входами устройства для транспортировки текучей среды и названные один или несколько выходов устройства для транспортировки текучей среды соединены с названными одним или несколькими входами устройства для регенерации тепла.wherein said upper cycle energy transfer fluid feeds said one or more fluid inlets for transferring upper cycle energy of the upper cycle engine; combustible fuel feeds said one or more inputs of combustible fuel and / or heat of the upper cycle engine; named one or more outputs of the engine of the upper cycle feed exhaust gases named one or more inputs of the device for heat recovery; one or more sources of fuel and / or heat supply said one or more inputs of fuel and / or heat of the heat recovery device; said one or more fluid outlets under pressure from a heat recovery device supply said fluid inlets under pressure from a lower cycle engine; the named one or more outputs of the discharge of fluid into the environment of the device for heat recovery is vented to the atmosphere (directly or indirectly) or by means of a device for transporting the fluid can be directed to the named inputs of the upper cycle engine; the one or more fluid exits for transferring energy of the lower cycle of the lower cycle engine are sources to the one or more exits of the heat exchanger, the one or more exits of the heat exchanger are connected to the one or more inlets of the fluid transport device and the one or more exits devices for transporting a fluid connected to the named one or more inputs of the device for heat recovery. 22. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой названный двигатель верхнего цикла содержит одну или более газовых турбин.22. The combined cycle power plant of claim 21, wherein said top cycle engine comprises one or more gas turbines. 23. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой используется единый верхний цикл, а названный двигатель нижнего цикла содержит одну или более паровых турбин.23. Power plant with a combination of cycles according to item 21, which uses a single upper cycle, and the named engine of the lower cycle contains one or more steam turbines. 24. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой названная текучая среда высокого давления содержит преимущественно единый пар высокого давления.24. The combined cycle power plant of claim 21, wherein said high pressure fluid contains predominantly a single high pressure steam. 25. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой названная текучая среда высокого давления содержит преимущественно сверхкритический пар высокого давления при номинальной нагрузке электростанции.25. The combined cycle power plant of Claim 21, wherein said high pressure fluid contains predominantly supercritical high pressure steam at a rated load of the power plant. 26. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой названное устройство для регенерации тепла содержит парогенератор регенерации тепла преимущественно с единым уровнем давления.26. Power plant with a combination of cycles according to item 21, in which the aforementioned device for heat recovery contains a heat recovery steam generator mainly with a single pressure level. 27. Электростанция с комбинированием циклов по п.21, в которой названный двигатель верхнего цикла работает, по существу, на пике производительности и/или уровня выработки энергии, а названный двигатель нижнего цикла используется для модулирования общего количества энергии, вырабатываемой электростанцией с комбинированием циклов.27. The combined cycle power plant of claim 21, wherein said upper cycle engine operates substantially at a peak in productivity and / or a level of power generation, and said lower cycle engine is used to modulate the total amount of energy generated by the combined cycle power station. 28. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая28. Power plant with combined cycles containing а) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла;a) at least one upper cycle engine; б) по крайней мере, одно устройство регенерации тепла, по существу, с постоянным поддержанием сжигания топлива, работающее преимущественно при едином давлении, сочлененное с названным двигателем верхнего цикла таким образом, что текучая среда верхнего цикла выбрасывается из названного двигателя верхнего цикла в названное устройство для регенерации тепла;b) at least one heat recovery device, essentially maintaining fuel combustion continuously, operating primarily at a single pressure, coupled to the said upper cycle engine so that the upper cycle fluid is ejected from the said upper cycle engine into the named device heat recovery; в) по крайней мере, один двигатель нижнего цикла, сочлененный с названным устройством регенерации тепла таким образом, что текучая среда нижнего цикла поступает из названного устройства регенерации тепла в названный двигатель нижнего цикла и возвращается в названное устройство регенерации тепла;c) at least one lower cycle engine coupled to said heat recovery device such that the lower cycle fluid enters from said heat recovery device to said lower cycle engine and returns to said heat recovery device; г) по крайней мере, одно управляющее устройство, адаптированное для поддержания оптимальной температуры выхлопов устройства регенерации тепла, имеющее входы информации о температуре выхлопов устройства регенерации тепла и выходы для оперативного регулирования интенсивности сжигания топлива в названном устройстве регенерации тепла.d) at least one control device adapted to maintain the optimum temperature of the exhausts of the heat recovery device, having inputs of information about the temperature of the exhausts of the heat recovery device and outputs for the operational control of the intensity of fuel combustion in the said heat recovery device. 29. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая29. Power plant with combined cycles, containing а) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла;a) at least one upper cycle engine; б) текучую среду верхнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем верхнего цикла;b) upper cycle fluid with a nominal heat transfer provided by the upper cycle engine; в) по крайней мере, одно устройство регенерации тепла, работающее, по существу, с постоянным поддержанием сжигания топлива, преимущественно при едином давлении, причем у названного данного устройства регенерации тепла имеется выхлопной отсек;c) at least one heat recovery device, operating essentially with constant maintenance of fuel combustion, mainly at a single pressure, moreover, said heat recovery device has an exhaust compartment; г) по крайней мере, один двигатель нижнего цикла;d) at least one lower cycle engine; д) текучую среду нижнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем нижнего цикла;e) a lower cycle fluid with a nominal heat transfer provided by the lower cycle engine; е) по крайней мере, одно средство, постоянно добавляющее тепло в названное устройство регенерации тепла таким образом, что коэффициент соотношения по массе потока текучей среды верхнего цикла к потоку текучей среды нижнего цикла через отсек выхлопов устройства регенерации тепла может поддерживаться, по существу, равным коэффициенту соотношения номинальной теплоотдачи текучей среды нижнего цикла к номинальной теплоотдаче текучей среды верхнего цикла благодаря модулированию работы средств для постоянного поддержания сжигания топлива в устройстве регенерации тепла.e) at least one means of constantly adding heat to said heat recovery device in such a way that the ratio by weight of the upper cycle fluid flow to the lower cycle fluid flow through the exhaust compartment of the heat recovery device can be maintained substantially equal to the ratio of the nominal heat transfer of the fluid of the lower cycle to the nominal heat transfer of the fluid of the upper cycle due to the modulation of the means for constant maintenance of fuel combustion in a heat recovery device. 30. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая30. Power plant with combined cycles containing а) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла;a) at least one upper cycle engine; б) текучую среду верхнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем верхнего цикла;b) upper cycle fluid with a nominal heat transfer provided by the upper cycle engine; в) по крайней мере, одно устройство регенерации тепла, работающее, по существу, с постоянным поддержанием сжигания топлива, преимущественно при едином давлении;c) at least one heat recovery device, operating essentially with constant maintenance of fuel combustion, mainly at a single pressure; г) по крайней мере, один двигатель нижнего цикла;d) at least one lower cycle engine; д) текучую среду нижнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем нижнего цикла;e) a lower cycle fluid with a nominal heat transfer provided by the lower cycle engine; е) по крайней мере, одно средство, постоянно добавляющее тепло в названное устройство регенерации тепла таким образом, что соотношение по массе потока текучей среды верхнего цикла к потоку текучей среды нижнего цикла через отсек выхлопов устройства регенерации тепла при различных уровнях выработки электростанции поддерживается, по существу, равным соотношению номинальной теплоотдачи текучей среды нижнего цикла к номинальной теплоотдаче текучей среды верхнего цикла за счет модулирования работы средств для постоянного поддержания сжигания топлива в устройстве регенерации тепла.e) at least one means of constantly adding heat to said heat recovery device such that the ratio by weight of the upper cycle fluid stream to the lower cycle fluid stream through the exhaust compartment of the heat recovery device at various levels of power generation is maintained equal to the ratio of the nominal heat transfer of the lower cycle fluid to the nominal heat transfer of the upper cycle fluid by modulating the operation of means for constantly maintaining fuel ignition in a heat recovery device. 31. Электростанция с комбинированием циклов, содержащая31. Power plant with combined cycles containing а) по крайней мере, один двигатель верхнего цикла;a) at least one upper cycle engine; б) по крайней мере, одно устройство регенерации тепла, работающее, по существу, с постоянным поддержанием сжигания топлива, преимущественно при едином давлении;b) at least one heat recovery device, operating essentially with constant maintenance of fuel combustion, mainly at a single pressure; в) по крайней мере один двигатель нижнего цикла,c) at least one lower cycle engine, в котором функциональный коэффициент соотношения номинальной производительности суммы всех двигателей нижнего цикла к сумме всех двигателей верхнего цикла превышает 0,75;in which the functional coefficient of the ratio of the nominal productivity of the sum of all lower cycle engines to the sum of all upper cycle engines exceeds 0.75; г) по крайней мере, одно устройство управления, адаптированное для поддержания оптимальной температуры выхлопов устройства регенерации тепла, имеющее входы информации о температуре выхлопов устройства регенерации тепла и выходы для оперативного регулирования интенсивности сжигания топлива в названном устройстве регенерации тепла.d) at least one control device adapted to maintain the optimum temperature of the exhausts of the heat recovery device, having inputs of information about the temperature of the exhausts of the heat recovery device and outputs for operatively controlling the intensity of fuel combustion in the said heat recovery device. 32. Способ эксплуатации электростанции с комбинированием циклов, включающий32. A method of operating a power plant with combined cycles, including а) запуск, по крайней мере, одного двигателя верхнего цикла для производства работы вала с выхлопными газами,a) the start of at least one upper cycle engine for the operation of the shaft with exhaust gases, б) по существу, постоянно поддерживаемое сжигание топлива, по крайней мере, в одном устройстве регенерации тепла, работающем преимущественно при нормальном давлении, которое в совокупности с дополнительным теплом выхлопных газов двигателя верхнего цикла приводит в действие, по крайней мере, один двигатель нижнего цикла для создания работы вала;b) essentially continuously supported combustion of fuel in at least one heat recovery device operating primarily at normal pressure, which, together with the additional heat of the exhaust gases of the upper cycle engine, drives at least one lower cycle engine for create shaft work; в) осуществление контроля за сжиганием топлива в устройстве регенерации тепла для обеспечения оптимального уровня теплоотдачи электростанции с комбинированием циклов путем использования температуры при выходе из устройства регенерации тепла как входных данных.c) monitoring fuel combustion in the heat recovery device to ensure the optimal level of heat transfer from the power plant with combined cycles by using the temperature at the exit from the heat recovery device as input. 33. Способ эксплуатации электростанции с комбинированием циклов, включающий:33. A method of operating a power plant with a combination of cycles, including: а) запуск, по крайней мере, одного двигателя верхнего цикла для производства работы вала и выхлопа текучей среды верхнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем верхнего цикла;a) starting at least one upper cycle engine for shaft operation and upper cycle fluid exhaust with a nominal heat transfer provided by the upper cycle engine; б) по существу, постоянно поддерживаемое сжигание топлива, по крайней мере, в одном устройстве регенерации тепла, работающем преимущественно при нормальном давлении, которое в совокупности с дополнительным теплом выхлопных газов двигателя верхнего цикла приводит в действие, по крайней мере, один двигатель нижнего цикла для производства работы вала и выхлопа текучей среды нижнего цикла с номинальной теплоотдачей, предусмотренной двигателем нижнего цикла;b) essentially continuously supported combustion of fuel in at least one heat recovery device operating primarily at normal pressure, which, together with the additional heat of the exhaust gases of the upper cycle engine, drives at least one lower cycle engine for the operation of the shaft and the exhaust of the lower cycle fluid with a nominal heat transfer provided by the lower cycle engine; в) осуществление регулирования коэффициента соотношения по массе потока текучей среды верхнего цикла к потоку текучей среды нижнего цикла через отсек выхлопов устройства регенерации тепла для поддерживания, по существу, равным коэффициенту соотношения номинальной теплоотдачи текучей среды нижнего цикла к номинальной теплоотдаче текучей среды верхнего цикла путем регулирования сжигания топлива в устройстве регенерации тепла.c) controlling the coefficient of the ratio of the mass flow of the upper cycle fluid to the lower cycle fluid flow through the exhaust compartment of the heat recovery device to maintain substantially equal to the ratio of the nominal heat transfer of the lower cycle fluid to the nominal heat transfer of the upper cycle fluid by controlling combustion fuel in the heat recovery device.
RU2001108540/06A 1998-08-31 1999-08-24 Electric power station and method of power generation with combination of cycles RU2248453C2 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US9846898P 1998-08-31 1998-08-31
US60/098,468 1998-08-31
US60/125,576 1999-03-23
US09/359,813 1999-07-23

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001108540A RU2001108540A (en) 2003-04-10
RU2248453C2 true RU2248453C2 (en) 2005-03-20

Family

ID=35454370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001108540/06A RU2248453C2 (en) 1998-08-31 1999-08-24 Electric power station and method of power generation with combination of cycles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2248453C2 (en)

Cited By (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101899999A (en) * 2009-05-31 2010-12-01 中国电力工程顾问集团华东电力设计院 Small turbine system in power plant and thermal cycle system in power plant containing same
US8166761B2 (en) 2006-05-15 2012-05-01 Newcastle Innovation Limited Method and system for generating power from a heat source
RU2530938C2 (en) * 2009-07-15 2014-10-20 РЕКАРРЕНТ ИНЖИНИРИНГ ЭлЭлСи System, method and device to increase efficiency of kalina cycle
RU2538983C2 (en) * 2010-09-30 2015-01-10 Альстом Текнолоджи Лтд Steam turbine readjustment method
RU2539941C2 (en) * 2009-11-27 2015-01-27 Нуово Пиньоне С.п.А. Method and device for controlling turbine based on dependence of exhaust gas temperature on pressure coefficient of turbine
RU2539699C2 (en) * 2009-11-24 2015-01-27 Дженерал Электрик Компани Device for direct evaporation and energy recovery system
RU2539930C2 (en) * 2009-11-27 2015-01-27 Нуово Пиньоне С.п.А. Control method of operating mode of gas turbine based on exhaust gas temperature, and gas turbine
RU2542617C2 (en) * 2009-11-27 2015-02-20 Нуово Пиньоне С.п.А Threshold based on exhaust gas temperature for turbine control method, and turbine
RU2548524C2 (en) * 2009-09-15 2015-04-20 Дженерал Электрик Компани Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration
RU2550126C1 (en) * 2014-05-13 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Recirculated water cooling control method in fan cooling tower
RU2586415C2 (en) * 2011-03-24 2016-06-10 Сименс Акциенгезелльшафт Method for fast connection of steam generator
RU2592563C2 (en) * 2011-05-27 2016-07-27 Дженерал Электрик Компани Device for control of output power of power plant
RU2595292C2 (en) * 2010-10-13 2016-08-27 Сименс Акциенгезелльшафт Combustion device with pulse separation of fuel
RU2628851C1 (en) * 2016-10-25 2017-08-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Gas turbine plant
RU2651390C2 (en) * 2014-02-20 2018-04-19 Сименс Акциенгезелльшафт Method for connecting a steam turbine and a gas turbine with the required error angle
RU2675023C2 (en) * 2014-10-20 2018-12-14 Сименс Акциенгезелльшафт Connection of gas turbine and steam turbine under given angle with rotor angle adjustment
RU2688078C2 (en) * 2014-05-08 2019-05-17 Дженерал Электрик Текнолоджи Гмбх Coaling welded electric installation with oxy-ignition with heat integrating
RU2778594C1 (en) * 2021-09-28 2022-08-22 Сергей Алексеевич Степучев Complex for water supply to steam generators

Cited By (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8166761B2 (en) 2006-05-15 2012-05-01 Newcastle Innovation Limited Method and system for generating power from a heat source
CN101899999A (en) * 2009-05-31 2010-12-01 中国电力工程顾问集团华东电力设计院 Small turbine system in power plant and thermal cycle system in power plant containing same
RU2530938C2 (en) * 2009-07-15 2014-10-20 РЕКАРРЕНТ ИНЖИНИРИНГ ЭлЭлСи System, method and device to increase efficiency of kalina cycle
RU2548524C2 (en) * 2009-09-15 2015-04-20 Дженерал Электрик Компани Direct-acting evaporator, plant for energy regeneration and method of energy regeneration
RU2539699C2 (en) * 2009-11-24 2015-01-27 Дженерал Электрик Компани Device for direct evaporation and energy recovery system
RU2539941C2 (en) * 2009-11-27 2015-01-27 Нуово Пиньоне С.п.А. Method and device for controlling turbine based on dependence of exhaust gas temperature on pressure coefficient of turbine
RU2539930C2 (en) * 2009-11-27 2015-01-27 Нуово Пиньоне С.п.А. Control method of operating mode of gas turbine based on exhaust gas temperature, and gas turbine
RU2542617C2 (en) * 2009-11-27 2015-02-20 Нуово Пиньоне С.п.А Threshold based on exhaust gas temperature for turbine control method, and turbine
RU2538983C2 (en) * 2010-09-30 2015-01-10 Альстом Текнолоджи Лтд Steam turbine readjustment method
RU2595292C2 (en) * 2010-10-13 2016-08-27 Сименс Акциенгезелльшафт Combustion device with pulse separation of fuel
US9822710B2 (en) 2010-10-13 2017-11-21 Siemens Aktiengesellschaft Combustion device with pulsed fuel split
RU2586415C2 (en) * 2011-03-24 2016-06-10 Сименс Акциенгезелльшафт Method for fast connection of steam generator
RU2592563C2 (en) * 2011-05-27 2016-07-27 Дженерал Электрик Компани Device for control of output power of power plant
RU2651390C2 (en) * 2014-02-20 2018-04-19 Сименс Акциенгезелльшафт Method for connecting a steam turbine and a gas turbine with the required error angle
RU2688078C2 (en) * 2014-05-08 2019-05-17 Дженерал Электрик Текнолоджи Гмбх Coaling welded electric installation with oxy-ignition with heat integrating
RU2550126C1 (en) * 2014-05-13 2015-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) Recirculated water cooling control method in fan cooling tower
RU2675023C2 (en) * 2014-10-20 2018-12-14 Сименс Акциенгезелльшафт Connection of gas turbine and steam turbine under given angle with rotor angle adjustment
US10253655B2 (en) 2014-10-20 2019-04-09 Siemens Aktiengesellschaft Coupling a gas turbine and a steam turbine with a target coupling angle by adjusting the polar wheel angle
RU2628851C1 (en) * 2016-10-25 2017-08-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Gas turbine plant
RU2778594C1 (en) * 2021-09-28 2022-08-22 Сергей Алексеевич Степучев Complex for water supply to steam generators

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6606848B1 (en) High power density combined cycle power plant system
RU2248453C2 (en) Electric power station and method of power generation with combination of cycles
Khaleel et al. Energy and exergy analysis of the steam power plants: A comprehensive review on the Classification, Development, Improvements, and configurations
US9816490B2 (en) Dispatchable solar hybrid power plant
Stathopoulos et al. Steam generation with stoichiometric combustion of H2/O2 as a way to simultaneously provide primary control reserve and energy storage
EP1161617A1 (en) Method for optimally operating co-generation of electricity and heat and optimally operating district heating power plant
Somova et al. Modern coal-fired power units for ultra-supercritical steam conditions
Abbi Energy audit: thermal power, combined cycle, and cogeneration plants
Kalina Fossil fuel savings, carbon emission reduction and economic attractiveness of medium-scale integrated biomass gasification combined cycle cogeneration plants
Nicol Application and development prospects of double-reheat coal-fired power units
Saidi et al. A comparative study of combined heat and power systems for a typical food industry application
Gomelsky et al. Fossil Fuel power plants: Prospects for potential available technologies and thermal plants in Latin America
Grzeszczak et al. Environmentally friendly replacement of mature 200 MW coal-fired power blocks with 2 boilers working on one 500 MW class Steam Turbine Generator (2on1 unit concept)
Flórez-Orrego et al. Optimal Design of Power Hubs for Offshore Petroleum Platforms Using a Systematic Framework
Gülen HRSG Duct Firing Revisited
Alnahdi et al. Retrofitting gas turbine units parabolic trough concentrated solar power for sustainable electricity generation
Ahmadi Central de Cogeneración Makariza-Estudio de Viabilidad Ambiental
Clifford et al. Repowering of Slough Estates for Optimum Energy Conversion
Ebhuomhan Effectiveness of using Organic Rankine cycle engine in small-scale district heating systems
Uddin Energy and exergy analysis of a combined cycle power plant
Gomelsky Fossil Fuel Power Plants: Available Technologies and Thermal Plant Prospective Potential in Latin America
GAINEY HEAD ENERGY MANAGEMENT MARKET DEVELOPMENT
Thomas Combined heat and power, the global solution to voltage dip, pollution, and energy efficiency
FI113682B (en) Optimal electricity and heat co-generation operating in power plant applications, involves producing lower and higher heating power range using energy of exhaust gas of turbine and peak load engine respectively
Hale A UNIQUE APPROACH TO COGENERATION

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110825