RU2391516C2

RU2391516C2 - Steam-gas installation

Info

Publication number: RU2391516C2
Application number: RU2008114099/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Аркадьевич Верткин (RU); Михаил Аркадьевич Верткин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ"
Priority date: 2008-04-09
Filing date: 2008-04-09
Publication date: 2010-06-10
Also published as: RU2008114099A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: steam-gas installation (SGI) consists of gas-turbine assembly, of steam boiler-utiliser (BU) and two-cylinder steam turbine with condenser. The gas-turbine assembly is equipped with at least one gas turbine, a combustion chamber and with at least one compressor mounted on a shaft of the gas turbine. At the steam inlet of the first cylinder the two-cylinder steam turbine with the condenser is communicated with the steam outlet of BU, at the outlet of the second cylinder it is communicated with the steam inlet of the condenser. At the condensate outlet the condenser is hydraulically tied with the condensate inlet of BU. SGI is also equipped with an additional double-stage compressor, which at the first stage air inlet is communicated with atmospheric air, at the second stage air outlet - with the air outlet of one of the compressors of the gas-turbine assembly. Also the first stage of the additional compressor is installed on one separate shaft with the second cylinder of the steam turbine, while its second stage - on one separate shaft with the first cylinder of the steam turbine.

EFFECT: increased heat drop in steam turbine without implementation of reducer, and, in total, increased efficiency of steam turbine installation in all operation range of loads.

1 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических парогазовых установках (ПГУ) бинарного типа, содержащих газотурбинные установки (ГТУ) с котлами-утилизаторами (КУ) и паровыми турбинами. Наибольший эффект может быть получен от внедрения изобретения в ПГУ, содержащей двух- и более вальную ГТУ с силовой газовой турбиной, установленной на одном валу с турбогенератором.The invention relates to a power system and can be used in binary-type power combined cycle plants (CCGT) containing gas turbine units (GTU) with recovery boilers (KU) and steam turbines. The greatest effect can be obtained from the implementation of the invention in a combined cycle plant containing two or more shaft gas turbines with a power gas turbine mounted on the same shaft with a turbogenerator.

Повышение КПД паросиловой части ПГУ и, следовательно, ПГУ в целом, стремятся обеспечить путем увеличения суммарного теплоперепада в паровых турбинах, зависящего как от степени расширения пара в паровой турбине ПГУ, так и от внутренних адиабатических КПД ее проточной части. Повышение этих параметров достигается, в частности, повышением начального давления перед паровой турбиной за счет применения двухцилиндровых паровых турбин с повышенной частотой вращения ротора цилиндра высокого давления (ЦВД).They seek to increase the efficiency of the steam-powered part of the combined cycle power plant and, therefore, the combined cycle power plant as a whole by increasing the total heat transfer in steam turbines, which depends both on the degree of expansion of the steam in the steam turbine and on the internal adiabatic efficiency of its flow part. The increase in these parameters is achieved, in particular, by increasing the initial pressure in front of the steam turbine due to the use of two-cylinder steam turbines with an increased rotational speed of the high-pressure cylinder rotor (CVP).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ПГУ, содержащая одновальную газотурбинную установку (ГТУ) с камерой сгорания и одним компрессором, паровой котел-утилизатор (КУ) двух давлений с промежуточным перегревателем пара и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором, сообщенную на входе первого цилиндра - цилиндра высокого давления (ЦВД) - по пару с выходом КУ по пару высокого давления, на выходе второго цилиндра - с входом конденсатора по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор гидравлически связан с входом КУ по конденсату. Вал ротора ЦВД соединен с валом второго цилиндра, ГТУ и потребителя мощности - турбогенератора - через редуктор, что позволяет повысить частоту вращения ротора ЦВД с соответствующим уменьшением диаметра и увеличением относительной высоты лопаток ЦВД и, благодаря этому, повысить внутренний относительный КПД ЦВД при высоком начальном давлении (Texas GT24: High Availability and Flexibility / E.Jeffs // Turbomachinery, January/February 2003, стр.23, 25, фиг.5).The closest technical solution, selected as a prototype, is a combined cycle gas turbine unit containing a single-shaft gas turbine unit (GTU) with a combustion chamber and one compressor, a two-pressure steam recovery boiler (KU) with an intermediate steam superheater, and a two-cylinder steam turbine with a condenser communicated at the input the first cylinder is a high-pressure cylinder (CVP) - in a pair with a KU output for a high-pressure pair, at the outlet of the second cylinder - with a condenser inlet for a couple, while a hydraulic condenser at the condensate outlet It is closely connected with the input of the condensate condensate input. The shaft of the CVP rotor is connected to the shaft of the second cylinder, gas turbine engine and the power consumer, a turbogenerator, through a gearbox, which allows increasing the rotational speed of the CVC rotor with a corresponding reduction in diameter and increasing the relative height of the CVC blades and, thereby, increasing the internal relative efficiency of the CVC at high initial pressure (Texas GT24: High Availability and Flexibility / E. Jeffs // Turbomachinery, January / February 2003, p. 23, 25, FIG. 5).

Недостаток данного технического решения состоит в том, что оно является эффективным только применительно к мощным одновальным ПГУ, в которых оба ротора паровой турбины кинематически связаны не только с валом турбогенератора, но и с ротором компрессора ГТУ.The disadvantage of this technical solution is that it is effective only in relation to powerful single-shaft CCGTs, in which both rotors of a steam turbine are kinematically connected not only with the shaft of the turbogenerator, but also with the rotor of the GTU compressor.

В ПГУ же с двух- или более вальной ГТУ и турбогенератором, установленным на валу силовой газовой турбины, соединение роторов паровой турбины только с валом этого или другого турбогенератора приводит к значительному усложнению системы регулирования паровой турбины, связанному, в частности, с установкой регулирующих клапанов на входах паровой турбины по пару. Это приводит к увеличению потерь давления в паровом тракте ПГУ и, как следствие, к снижению степени расширения пара и теплоперепада, срабатываемого в цилиндрах паровой турбины. Кроме того, возрастают объемы барабанов КУ - для снижения амплитуды колебания давлений в контурах КУ из-за работы регулирующих клапанов и, следовательно, растет металлоемкость КУ. Возникает необходимость в обеспечении защиты турбин от чрезмерной раскрутки роторов в случае аварийного сброса электрической нагрузки, в составе оборудования ПГУ появляется быстрое редукционно-охладительное устройство и т.п.In a CCGT unit with two or more shaft gas turbine engines and a turbogenerator mounted on the shaft of a power gas turbine, the connection of the steam turbine rotors only with the shaft of this or another turbogenerator leads to a significant complication of the steam turbine control system, associated, in particular, with the installation of control valves on Steam turbine inlets. This leads to an increase in pressure loss in the steam path of the CCGT unit and, as a result, to a decrease in the degree of expansion of the steam and heat loss triggered in the cylinders of the steam turbine. In addition, the volumes of KU drums increase - to reduce the amplitude of pressure fluctuations in the KU circuits due to the operation of control valves and, therefore, the KU metal consumption increases. There is a need to protect the turbines from excessive spinning of rotors in the event of an emergency discharge of electrical load, a quick reduction and cooling device appears in the CCGT equipment, etc.

Далее, в ПГУ средней мощности повышение начального давления перед цилиндром высокого давления (ЦВД) паровой турбины с ротором, установленным на валу потребителя мощности с фиксированной частотой вращения 3000 об/мин, оказывается неэффективным из-за чрезмерного снижения высот лопаток и снижения КПД ЦВД. Применение же редуктора для повышения частоты вращения ротора ЦВД связано как с наличием дополнительных потерь энергии в самом редукторе, так и с усложнением оборудования и его эксплуатации вследствие наличия системы маслоснабжения редуктора и его охлаждения.Further, in a medium power CCGT, an increase in the initial pressure in front of the high pressure cylinder (CVP) of a steam turbine with a rotor mounted on a power consumer shaft with a fixed rotation speed of 3000 rpm is ineffective due to an excessive decrease in the height of the blades and a decrease in the efficiency of the CVP. The use of the gearbox to increase the rotational speed of the CVP rotor is associated both with the presence of additional energy losses in the gearbox itself and with the complication of equipment and its operation due to the gearbox oil supply system and its cooling.

Техническим результатом заявляемой ПГУ является повышение теплоперепада, срабатываемого в паровой турбине, без использования редуктора и, в итоге, повышение КПД ПГУ во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок.The technical result of the inventive CCGT unit is to increase the heat transfer that is triggered in a steam turbine without using a gearbox and, as a result, increase the efficiency of the CCGT unit in the entire operational load range.

Для достижения указанного технического результата заявляемая ПГУ, содержащая ГТУ, снабженную, по крайней мере, одной газовой турбиной, камерой сгорания и, по крайней мере, одним компрессором, установленным на валу газовой турбины, а также паровой котел-утилизатор (КУ) и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором, сообщенную на входе первого цилиндра по пару с выходом КУ по пару, на выходе второго цилиндра - с входом конденсатора по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор гидравлически связан с входом КУ по конденсату, согласно изобретению ПГУ снабжена дополнительным двухкаскадным компрессором, сообщенным на входе первого каскада по воздуху с атмосферным воздухом, на выходе второго каскада по воздуху - с выходом одного из компрессоров ГТУ по воздуху, при этом первый каскад дополнительного компрессора установлен на одном отдельном валу со вторым цилиндром паровой турбины, а второй его каскад - на одном отдельном валу с первым цилиндром паровой турбины.To achieve this technical result, the inventive combined cycle plant containing a gas turbine equipped with at least one gas turbine, a combustion chamber and at least one compressor mounted on the shaft of the gas turbine, as well as a steam recovery boiler (KU) and a two-cylinder steam a turbine with a condenser, coupled at the inlet of the first cylinder in pairs with the output of the KU in pairs, at the output of the second cylinder - with the input of the condenser in pairs, while at the output of the condensate the condenser is hydraulically connected to the input of the KU in condensate, agree about the invention, the CCGT unit is equipped with an additional two-stage compressor, communicated at the inlet of the first cascade through air with atmospheric air, at the outlet of the second cascade through air with the outlet of one of the gas turbine compressors, while the first cascade of the additional compressor is mounted on one separate shaft with a second steam cylinder turbines, and its second cascade - on one separate shaft with the first cylinder of the steam turbine.

Изобретение поясняется примером его реализации, схематически изображенном на чертеже.The invention is illustrated by an example of its implementation, schematically depicted in the drawing.

ПГУ содержит ГТУ 1, снабженную, в данном примере, двумя газовыми турбинами 2 и 3 (при этом турбина 3 установлена на валу потребителя мощности - турбогенератора 4), камерой сгорания 5 и двумя компрессорами 6 и 7, установленными на валу газовой турбины 2, а также паровой КУ 8 и двухцилиндровую паровую турбину с конденсатором 9. Двухцилиндровая паровая турбина с конденсатором 9 сообщена на входе первого цилиндра 10 по пару с выходом КУ 8 по пару (в данном примере - по пару высокого давления - в.д.), на выходе второго цилиндра 11 по пару - с входом конденсатора 9 по пару, при этом на выходе по конденсату конденсатор 9 гидравлически связан с входом КУ 8 по конденсату. В данном примере КУ 8 предполагается выполненным по схеме КУ прототипа, т.е. с двумя контурами давлений и промежуточным перегревателем пара, и сообщенным на входе по промежуточному пару (промпару) с выходом первого цилиндра 10 по пару, на выходах по промпару и пару низкого давления (н.д.) - со входами второго цилиндра 11 паровой турбины по пару и пару н.д.The CCGT includes GTU 1, equipped in this example with two gas turbines 2 and 3 (in this case, turbine 3 is installed on the shaft of the power consumer — turbine generator 4), a combustion chamber 5 and two compressors 6 and 7 mounted on the shaft of the gas turbine 2, and also a steam KU 8 and a two-cylinder steam turbine with a condenser 9. A two-cylinder steam turbine with a condenser 9 is communicated at the inlet of the first cylinder 10 in pairs with the output of KU 8 in pairs (in this example, high-pressure steam - HP), at the output the second cylinder 11 in a pair - with the input of the condenser 9 in pairs, while the condensate 9 is hydraulically connected to the input of the condensate condenser 8 at the condensate output. In this example, KU 8 is assumed to be performed according to the KU scheme of the prototype, i.e. with two pressure circuits and an intermediate steam superheater, and communicated at the inlet through an intermediate pair (industrial pair) with the output of the first cylinder 10 in pairs, at the outlets along the industrial pair and low-pressure pair (n.a.) - with the inputs of the second cylinder 11 of the steam turbine couple and couple n.d.

ПТУ снабжена дополнительным двухкаскадным компрессором, сообщенным на входе первого каскада 12 по воздуху с атмосферным воздухом, на выходе второго каскада 13 по воздуху - в данном примере - с выходом компрессора 6 ГТУ 1 по воздуху, при этом первый каскад 12 дополнительного компрессора установлен на одном отдельном валу 14 со вторым цилиндром паровой турбины 11, а второй его каскад 13 - на одном отдельном валу 15 с первым цилиндром 10 паровой турбины.The technical and vocational school is equipped with an additional two-stage compressor, communicated at the inlet of the first stage 12 by air with atmospheric air, at the output of the second stage 13 by air — in this example, with the output of the compressor 6 of the gas turbine unit 1 by air, while the first stage 12 of the additional compressor is installed on one separate the shaft 14 with the second cylinder of the steam turbine 11, and its second cascade 13 - on one separate shaft 15 with the first cylinder 10 of the steam turbine.

В данном примере валы 14 и 15 размещены концентрично, при этом вал 14 расположен внутри вала 15, выполненного в виде полого цилиндра.In this example, the shafts 14 and 15 are arranged concentrically, while the shaft 14 is located inside the shaft 15, made in the form of a hollow cylinder.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

Атмосферный воздух сжимают в компрессорах 6, 7, а также в каскадах дополнительного компрессора 12 и 13 и подают в камеру сгорания 5, куда подают также топливо. Продукты сгорания топлива (газы) из камеры сгорания 5 поступают в газовые турбины 2 и 3, где, расширяясь, совершают работу по приводу компрессоров 6, 7 и турбогенератора 4. В КУ 8 теплом выхлопных газов газовой турбины 3 вырабатывают пар. В данном примере в КУ 8 вырабатывают пар двух давлений, а также осуществляют промежуточный перегрев пара за первым цилиндром 10 паровой турбины. Пар из КУ 8 подают в цилиндры 10 и 11 паровой турбины, совершающей работу по приводу каскадов 12 и 13 дополнительного компрессора. Отработанный в паровой турбине пар расширяется до давления в конденсаторе 9, где конденсируется, а полученный конденсат возвращается в КУ 8.Atmospheric air is compressed in compressors 6, 7, as well as in stages of an additional compressor 12 and 13, and is fed into the combustion chamber 5, which also supplies fuel. The products of fuel combustion (gases) from the combustion chamber 5 enter the gas turbines 2 and 3, where, expanding, they perform the work of driving the compressors 6, 7 and the turbogenerator 4. In KU 8, steam is generated by the heat of the exhaust gases of the gas turbine 3. In this example, in KU 8, steam of two pressures is generated, and also an intermediate superheating of the steam is carried out behind the first cylinder 10 of the steam turbine. Steam from KU 8 is fed into the cylinders 10 and 11 of the steam turbine, which performs the work of driving the stages 12 and 13 of an additional compressor. The steam worked up in the steam turbine expands to a pressure in the condenser 9, where it condenses, and the condensate obtained is returned to KU 8.

Защита паровой турбины от раскрутки роторов в случае аварийного сброса электрической нагрузки в заявляемой ПГУ не нужна, т.к. роторы обоих цилиндров 10 и 11 установлены на валах дополнительного компрессора. Поскольку они не соединены с валом турбогенератора, имеющего фиксированную частоту (3000 об/мин), то могут быть выполнены с возможностью вращения на оптимальных оборотах, т.е. значительно более высоких, чем обороты вала турбогенератора, и благодаря этому, с оптимальным относительным удлинением лопаток, при котором номинальные значения адиабатических КПД проточных частей паровой турбины максимальны.Protection of the steam turbine from the promotion of rotors in the event of an emergency discharge of electrical load in the inventive CCGT is not needed, because the rotors of both cylinders 10 and 11 are mounted on the shafts of the additional compressor. Since they are not connected to the shaft of the turbogenerator having a fixed frequency (3000 rpm), they can be rotated at optimal speeds, i.e. significantly higher than the speed of the turbogenerator shaft, and due to this, with the optimal elongation of the blades, at which the nominal values of the adiabatic efficiency of the flowing parts of the steam turbine are maximum.

Роторы обоих каскадов дополнительного компрессора и паровой турбины работают не на постоянных, а на скользящих оборотах, причем снижение оборотов обоих роторов при уменьшении нагрузки сочетается с уменьшением расходов рабочих тел не только через компрессор, но и паровую турбину, поскольку с понижением нагрузки снижается температура газов перед КУ 3 и снижается его паропроизводительность. Благодаря этому средний уровень адиабатических КПД цилиндров паровой турбины на переменных режимах в заявляемой ПГУ выше, чем в прототипе.The rotors of both stages of the additional compressor and the steam turbine operate not at constant, but at sliding speeds, and a decrease in the speed of both rotors with a decrease in load is combined with a decrease in the flow rate of the working fluid not only through the compressor, but also the steam turbine, since the gas temperature decreases before the load decreases KU 3 and its steam capacity decreases. Due to this, the average level of adiabatic efficiency of the cylinders of a steam turbine in variable modes in the inventive CCGT unit is higher than in the prototype.

Регулирование подачи пара в паровую турбину не требуется, потери давления на линии подачи пара в паровую турбину, по крайней мере, не выше, чем в прототипе.The regulation of the steam supply to the steam turbine is not required, the pressure loss on the steam supply line to the steam turbine is at least not higher than in the prototype.

Перечисленные факторы обуславливают повышение среднего теплоперепада, срабатываемого в паровой турбине заявляемой ПГУ, что, в итоге, повышает средний КПД ПГУ в реальном диапазоне нагрузок.The listed factors lead to an increase in the average heat difference triggered in the steam turbine of the inventive CCGT unit, which, as a result, increases the average efficiency of the CCGT unit in the real load range.

Указанный технический результат достигается без применения редуктора и связанных с ним потерь, что обеспечивает дополнительное повышение КПД ПГУ во всем эксплуатационном диапазоне.The specified technical result is achieved without the use of a gearbox and associated losses, which provides an additional increase in the efficiency of CCGT in the entire operational range.

Приведенный пример предназначен лишь для иллюстрации изобретения и не исчерпывает всего многообразия возможных технических решений по его реализации. В частности, согласно изобретению дополнительный компрессор (его второй каскад) на выходе по воздуху может быть сообщен с выходом не компрессора 6, а компрессора 7 ГТУ 1 по воздуху. На практике выбор места подачи сжатого воздуха из дополнительного компрессора - на выход по воздуху одного из компрессоров ГТУ - 6 или 7 - зависит от параметров исходной (надстраиваемой) ГТУ и планируемого объема модификации этой ГТУ.The above example is intended only to illustrate the invention and does not exhaust the entire variety of possible technical solutions for its implementation. In particular, according to the invention, an additional compressor (its second cascade) at the air outlet can be communicated with the output of not the compressor 6, but the compressor 7 of the gas turbine 1 through the air. In practice, the choice of the place of compressed air supply from an additional compressor — to the air outlet of one of the GTU compressors — 6 or 7 — depends on the parameters of the initial (built-in) gas turbine and the planned volume of modification of this gas turbine.

Кроме того, надстраиваемая ГТУ может быть снабжена регенератором, может иметь одновальное исполнение - с одной газовой турбиной и возможно, с одним компрессором. Блоки каскадов дополнительного компрессора с цилиндрами паровой турбины могут быть разнесены и выполнены в раздельных корпусах, а не в общей корпусной конструкции с концентричным размещением вала 14 в полом валу 15, как показано на фигуре. Второй цилиндр паровой турбины на входе по пару может быть сообщен с выходом первого цилиндра паровой турбины по пару не через паровой тракт промежуточного перегревателя (КУ), а непосредственно, КУ 8 может содержать не два, а один или три парогенерирующих контура и т.п.In addition, the built-in gas turbine may be equipped with a regenerator, may have a single-shaft design - with one gas turbine and possibly with one compressor. The cascade blocks of the additional compressor with the cylinders of the steam turbine can be spaced and made in separate housings, and not in the general housing design with concentric placement of the shaft 14 in the hollow shaft 15, as shown in the figure. The second cylinder of the steam turbine at the steam inlet can be communicated with the output of the first cylinder of the steam turbine in steam not through the steam path of the intermediate superheater (KU), but directly, KU 8 can contain not two, but one or three steam generating circuits, etc.

Claims

A combined cycle gas turbine unit (CCGT) comprising a gas turbine unit equipped with at least one gas turbine, a combustion chamber and at least one compressor mounted on a gas turbine shaft, as well as a steam recovery boiler (KU) and a two-cylinder steam turbine with a condenser communicated at the input of the first cylinder in pairs with the output of the KU in pairs, at the output of the second cylinder with the input of the condenser in pairs, while at the output of the condensate the condenser is hydraulically connected to the input of the KU in condensate, characterized in that the CCGT equipped with an additional two-stage compressor, communicated at the inlet of the first cascade by air with atmospheric air, at the outlet of the second cascade by air - with the output of one of the compressors of the gas turbine unit by air, while the first cascade of the additional compressor is installed on one separate shaft with the second cylinder of the steam turbine, and its second cascade - on one separate shaft with the first cylinder of a steam turbine.