RU2777999C1

RU2777999C1 - Combined-cycle power plant

Info

Publication number: RU2777999C1
Application number: RU2021134034A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Кудинов; Светлана Камиловна Зиганшина; Евгений Анатольевич Кудинов; Эльвира Фаридовна Валеева
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2022-08-12

Abstract

FIELD: energy.

SUBSTANCE: invention relates to energy and can be used in thermal power plants. A combined-cycle plant of a power plant is proposed, containing a gas turbine plant consisting of a gas turbine, a turbocharger, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, a heat exchanger - a waste gas heat recovery unit equipped with a condensate collector with a water seal, a circulating water supply system, including a circulation pump, a pressure pipeline to the steam turbine condenser, a pressure pipeline to the heat exchanger - exhaust gas heat recovery system and a discharge pressure pipeline to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a water collection basin, a water pipe made of stainless steel, connecting the inlet air duct of the turbocharger of the gas turbine plant with the discharge pipe of the pump by means of a water distribution manifold, for supplying water vapor condensate from the reservoir tank, which is released from the gas-vapor mixture during its cooling below the dew point in in the heat exchanger - exhaust gas heat utilizer, into the flow of air moving in the inlet air duct of the turbocharger, while the injection of water vapor condensate into the inlet air duct in the amount of 0.01-0.015 kg per 1 kg of air supplied to the turbocharger is carried out by means of nozzles connected to the water distribution manifold.

EFFECT: increasing the efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электрических станциях.The invention relates to energy and can be used at thermal power plants.

Известен аналог - парогазовая установка электростанции (см. патент РФ №2482292, БИ №14, 2013), содержащая газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник - утилизатор теплоты уходящих газов, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины, напорный трубопровод к теплообменнику - утилизатору теплоты уходящих газов и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна. Данный аналог принят за прототип.An analogue is known - a combined-cycle plant of a power plant (see RF patent No. 2482292, BI No. 14, 2013), containing a gas turbine plant consisting of a gas turbine, a turbocompressor, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser , an electric generator and a feed pump, a heat exchanger - exhaust gas heat recovery unit equipped with a condensate collector with a water seal, a circulating water supply system, including a circulation pump, a pressure pipeline to the steam turbine condenser, a pressure pipeline to the exhaust gas heat exchanger and a discharge pressure pipeline to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a catchment basin. This analog is taken as a prototype.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известной парогазовой установки электростанции, принятой за прототип, относится то, что известная парогазовая установка электростанции обладает пониженной экономичностью, так как в поток воздуха, поступающего в турбокомпрессор газотурбинной установки, подается частично отработавший в паровой турбине водяной пар с образованием паровоздушной смеси с целью улучшения теплофизических свойств рабочего тела в турбокомпрессоре по сравнению с атмосферным воздухом и в газовой турбине по сравнению с продуктами сгорания органического топлива. Осуществление отбора частично отработавшего в паровой турбине водяного пара уменьшает количество энергии (механической работы), вырабатываемой паром в паровой турбине, что снижает выработку электроэнергии электрическим генератором паровой турбины и экономичность парогазовой установки электростанции.The reason preventing the achievement of the technical result indicated below when using the well-known combined-cycle plant of the power plant, taken as a prototype, is that the known combined-cycle plant of the power plant has reduced efficiency, since the air flow entering the turbocharger of the gas turbine plant is fed partially spent in the steam turbine water vapor with the formation of a vapor-air mixture in order to improve the thermophysical properties of the working fluid in the turbocharger in comparison with atmospheric air and in the gas turbine in comparison with the combustion products of organic fuel. The implementation of the selection of partially exhausted steam in the steam turbine reduces the amount of energy (mechanical work) generated by steam in the steam turbine, which reduces the generation of electricity by the electric generator of the steam turbine and the efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для повышения экономичности парогазовой установки электростанции предлагается входной воздуховод турбокомпрессора газотурбинной установки соединить посредством водораспределительного коллектора и выполненного из нержавеющей стали водопровода с нагнетательным патрубком насоса для подачи конденсата водяных паров (обессоленной воды), выделяющегося из газопаровой смеси в процессе ее охлаждения ниже точки росы в теплообменнике - утилизаторе теплоты уходящих газов, во входной воздуховод турбокомпрессора. Количество обессоленной воды, подаваемой во входной воздуховод турбокомпрессора, составляет 0,01-0,015 кг на 1 кг подаваемого в турбокомпрессор воздуха. При этом для распыления обессоленной воды и образования водовоздушной смеси впрыск обессоленной воды во входной воздуховод турбокомпрессора целесообразно осуществлять посредством форсунок, присоединенных к водораспределительному коллектору. При сжатии в турбокомпрессоре смеси воздуха и обессоленной воды температура водовоздушной смеси повышается, при этом вода испаряется в первых ступенях турбокомпрессора, образуется паровоздушная смесь, что приведет к снижению потребляемой турбокомпрессором мощности за счет испарительного охлаждения воздуха в процессе сжатия. Уменьшение потребляемой турбокомпрессором мощности обусловливает повышение вырабатываемой газовой турбиной полезной мощности. При этом возрастает и удельная мощность газовой турбины за счет наличия в продуктах сгорания водяных паров, то есть образования газопаровой смеси в камере сгорания газотурбинной установки, что приводит к повышению располагаемого теплоперепада в газовой турбине. Кроме того, за счет лучших теплофизических свойств газопаровой смеси по сравнению с теплофизическими свойствами продуктов сгорания органического топлива обусловливается повышение тепловой мощности котла-утилизатора.The essence of the invention is as follows. To increase the efficiency of the combined cycle plant of the power plant, it is proposed to connect the inlet air duct of the turbocharger of the gas turbine plant by means of a water distribution manifold and a water pipe made of stainless steel to the discharge pipe of the pump for supplying water vapor condensate (demineralized water) released from the gas-vapor mixture during its cooling below the dew point in the heat exchanger - exhaust gas heat recovery unit, into the inlet air duct of the turbocharger. The amount of demineralized water supplied to the inlet duct of the turbocharger is 0.01-0.015 kg per 1 kg of air supplied to the turbocharger. At the same time, in order to spray demineralized water and form a water-air mixture, it is advisable to inject demineralized water into the inlet air duct of the turbocharger using nozzles connected to the water distribution manifold. When a mixture of air and demineralized water is compressed in a turbocharger, the temperature of the water-air mixture rises, while water evaporates in the first stages of the turbocompressor, a vapor-air mixture is formed, which will lead to a decrease in the power consumed by the turbocompressor due to evaporative cooling of the air during compression. Reducing the power consumed by the turbocharger causes an increase in the net power generated by the gas turbine. At the same time, the specific power of the gas turbine also increases due to the presence of water vapor in the combustion products, that is, the formation of a gas-vapor mixture in the combustion chamber of the gas turbine plant, which leads to an increase in the available heat drop in the gas turbine. In addition, due to the better thermophysical properties of the gas-steam mixture compared to the thermal properties of the fossil fuel combustion products, an increase in the thermal power of the waste heat boiler is determined.

Таким образом, подача во входной воздуховод турбокомпрессора обессоленной воды повышает эффективность работы газотурбинной установки и котла-утилизатора, что обусловливает повышение экономичности парогазовой установки электростанции.Thus, the supply of demineralized water to the inlet air duct of the turbocompressor increases the efficiency of the gas turbine plant and the waste heat boiler, which leads to an increase in the efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Технический результат - повышение экономичности парогазовой установки электростанции.The technical result is an increase in the efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известная парогазовая установка электростанции содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник - утилизатор теплоты уходящих газов, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины, напорный трубопровод к теплообменнику - утилизатору теплоты уходящих газов и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна. Особенность парогазовой установки электростанции заключается в том, что парогазовая установка электростанции дополнительно снабжена выполненным из нержавеющей стали водопроводом, соединяющим посредством водораспределительного коллектора входной воздуховод турбокомпрессора газотурбинной установки с нагнетательным патрубком насоса, для подачи из бака-резервуара конденсата водяных паров, выделяющегося из газопаровой смеси в процессе ее охлаждения ниже точки росы в теплообменнике - утилизаторе теплоты уходящих газов, в поток движущегося во входном воздуховоде турбокомпрессора воздуха, при этом впрыск конденсата водяных паров во входной воздуховод в количестве 0,01-0,015 кг на 1 кг подаваемого в турбокомпрессор воздуха осуществляется посредством форсунок, присоединенных к водораспределительному коллектору.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that the well-known combined-cycle power plant contains a gas turbine plant, consisting of a gas turbine, a turbocharger, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant, consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, heat exchanger - exhaust gas heat utilizer, equipped with a condensate collector with a water seal, a circulating water supply system, including a circulation pump, a pressure pipeline to the steam turbine condenser, a pressure pipeline to the exhaust gas heat exchanger and a discharge pressure pipeline to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a catchment basin . The peculiarity of the combined-cycle plant of the power plant is that the combined-cycle plant of the power plant is additionally equipped with a water pipe made of stainless steel, connecting the inlet air duct of the turbocompressor of the gas turbine plant with the discharge pipe of the pump by means of a water distribution manifold, for supplying water vapor condensate from the tank-reservoir, which is released from the gas-steam mixture in the process it is cooled below the dew point in the heat exchanger - exhaust gas heat recovery unit, into the flow of air moving in the inlet air duct of the turbocharger, while the injection of water vapor condensate into the inlet air duct in the amount of 0.01-0.015 kg per 1 kg of air supplied to the turbocharger is carried out by means of nozzles, connected to the water distribution manifold.

На чертеже представлена схема парогазовой установки электростанции.The drawing shows a diagram of a combined cycle power plant.

Парогазовая установка электростанции содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины 1, турбокомпрессора 2, камеры сгорания 3 и электрогенератора 4, котел-утилизатор 5, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины 6 с конденсатором 7, электрического генератора 8 и питательного насоса 9, теплообменник 10 - утилизатор теплоты уходящих газов, снабженный конденсатосборником 11 с гидрозатвором 12, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос 13, напорный трубопровод 14 к конденсатору 7 паровой турбины 6, напорный трубопровод 15 к теплообменнику 10 - утилизатору теплоты уходящих газов и сливной напорный трубопровод 16 к градирне, состоящей из вытяжной башни 17 и водосборного бассейна 18, бак-резервуар 19 обессоленной воды, водопровод 20, выполненный из нержавеющей стали и соединяющий нагнетательный патрубок насоса 21 с водораспределительным коллектором 22, входной воздуховод 23 турбокомпрессора 2 и форсунки 24, присоединенные к водораспределительному коллектору 22.Combined-cycle plant of the power plant contains a gas turbine plant consisting of a gas turbine 1, a turbocharger 2, a combustion chamber 3 and an electric generator 4, a waste heat boiler 5, a steam turbine plant consisting of a steam turbine 6 with a condenser 7, an electric generator 8 and a feed pump 9, a heat exchanger 10 - exhaust gas heat recovery unit equipped with a condensate collector 11 with a water seal 12, a circulating water supply system, including a circulation pump 13, a pressure pipeline 14 to the condenser 7 of the steam turbine 6, a pressure pipeline 15 to the heat exchanger 10 - exhaust gas heat recovery unit and a discharge pressure pipeline 16 to the cooling tower , consisting of an exhaust tower 17 and a catchment basin 18, a tank-reservoir 19 of demineralized water, a water pipe 20 made of stainless steel and connecting the discharge pipe of the pump 21 with a water distribution manifold 22, an inlet air duct 23 of a turbocharger 2 and nozzles 24 connected to the water distribution th collector 22.

Парогазовая установка электростанции работает следующим образом.Combined-cycle power plant works as follows.

Во входной воздуховод 23 турбокомпрессора 2 поступает атмосферный воздух и одновременно подается конденсат водяных паров, выделяющийся из газопаровой смеси в процессе ее охлаждения ниже точки росы в теплообменнике 10 - утилизаторе теплоты уходящих газов, в количестве 0,01-0,015 кг на 1 кг подаваемого в турбокомпрессор воздуха. Конденсат водяных паров (обессоленная вода) впрыскивается во входной воздуховод 23 турбокомпрессора посредством форсунок 24, присоединенных к водораспределительному коллектору 22. Происходит распыление воды и образование водовоздушной смеси. При сжатии в турбокомпрессоре 2 смеси воздуха и обессоленной воды температура смеси повышается, при этом вода испаряется в первых ступенях турбокомпрессора 2, образуется паровоздушная смесь, что приведет к снижению потребляемой турбокомпрессором 2 мощности за счет испарительного охлаждения воздуха в процессе сжатия. Уменьшение потребляемой турбокомпрессором 2 мощности обусловливает повышение вырабатываемой газовой турбиной 1 полезной мощности, что повышает экономичность парогазовой установки электростанции.Atmospheric air enters the inlet air duct 23 of the turbocompressor 2 and at the same time water vapor condensate is supplied, which is released from the gas-vapor mixture during its cooling below the dew point in the heat exchanger 10 - exhaust gas heat recovery unit, in the amount of 0.01-0.015 kg per 1 kg supplied to the turbocharger air. Water vapor condensate (demineralized water) is injected into the inlet air duct 23 of the turbocharger through nozzles 24 connected to the water distribution manifold 22. Water is sprayed and an air-water mixture is formed. When a mixture of air and demineralized water is compressed in the turbocharger 2, the temperature of the mixture rises, while the water evaporates in the first stages of the turbocharger 2, a vapor-air mixture is formed, which will lead to a decrease in the power consumed by the turbocharger 2 due to evaporative cooling of the air during compression. Reducing the power consumed by the turbocharger 2 causes an increase in the useful power generated by the gas turbine 1, which increases the efficiency of the combined cycle power plant.

Паровоздушная смесь из турбокомпрессора 2 подается в камеру сгорания 3 газотурбинной установки для осуществления процесса горения топлива. Образовавшаяся в результате сгорания топлива газопаровая смесь поступает в газовую турбину 1. В газовой турбине 1 совершается полезная работа газотурбинного цикла, которая затрачивается на привод турбокомпрессора 2 и электрогенератора 4. При этом возрастает удельная мощность газовой турбины 1 за счет наличия в продуктах сгорания водяных паров, то есть образования газопаровой смеси в камере сгорания 3 газотурбинной установки, что приводит к повышению располагаемого теплоперепада в газовой турбине 1.The vapor-air mixture from the turbocharger 2 is fed into the combustion chamber 3 of the gas turbine plant to carry out the fuel combustion process. The gas-vapor mixture formed as a result of fuel combustion enters the gas turbine 1. In the gas turbine 1, the useful work of the gas turbine cycle is performed, which is spent on driving the turbocompressor 2 and the electric generator 4. In this case, the specific power of the gas turbine 1 increases due to the presence of water vapor in the combustion products, that is, the formation of a gas-vapor mixture in the combustion chamber 3 of the gas turbine plant, which leads to an increase in the available heat drop in the gas turbine 1.

Отработавшая в газовой турбине 1 газопаровая смесь поступает в котел-утилизатор 5, где генерируется водяной пар, который направляется в паровую турбину 6. При этом за счет лучших теплофизических свойств газопаровой смеси по сравнению с теплофизическими свойствами продуктов сгорания органического топлива обусловливается повышение тепловой мощности (паропроизводительности) котла-утилизатора 5.The gas-steam mixture spent in the gas turbine 1 enters the waste heat boiler 5, where water vapor is generated, which is sent to the steam turbine 6. At the same time, due to the better thermophysical properties of the gas-steam mixture compared to the thermophysical properties of the combustion products of organic fuel, an increase in thermal power (steam output) is caused ) waste heat boiler 5.

В паровой турбине 6 в процессе расширения пара совершается полезная работа паросилового цикла, затрачиваемая на привод электрического генератора 8. Отработавший в паровой турбине 6 пар поступает в конденсатор 7, в котором конденсируется за счет теплообмена с циркуляционной водой, подаваемой по напорному трубопроводу 14 циркуляционным насосом 13 из водосборного бассейна 18 градирни. Подогретая в конденсаторе 7 циркуляционная вода по сливному напорному трубопроводу 16 подается в вытяжную башню 17 градирни, где охлаждается атмосферным воздухом в процессе тепло- и массообмена при непосредственном контакте с ним и стекает в водосборный бассейн 18. Конденсат отработавшего в паровой турбине водяного пара питательным насосом 9 направляется в котел-утилизатор 5.In the steam turbine 6, in the process of expanding the steam, the useful work of the steam-power cycle is performed, which is spent on driving the electric generator 8. The steam exhausted in the steam turbine 6 enters the condenser 7, in which it is condensed due to heat exchange with the circulating water supplied through the pressure pipeline 14 by the circulation pump 13 from the watershed of cooling tower 18. The circulation water heated in the condenser 7 is fed through the discharge pressure pipeline 16 to the exhaust tower 17 of the cooling tower, where it is cooled by atmospheric air in the process of heat and mass transfer in direct contact with it and flows into the catchment basin 18. The condensate of the steam exhausted in the steam turbine by the feed pump 9 is sent to the waste heat boiler 5.

Газопаровая смесь после котла-утилизатора 5 поступает в теплообменник 10 - утилизатор теплоты уходящих газов, где охлаждается ниже точки росы циркуляционной водой, подаваемой циркуляционным насосом 13 по напорному трубопроводу 15. При этом водяной пар, содержащийся в газопаровой смеси в перегретом состоянии, конденсируется. Конденсат водяных паров, выделяющийся из газопаровой смеси в процессе ее охлаждения ниже точки росы, стекает в конденсатосборник 11 и через гидрозатвор 12 отводится в бак-резервуар 19 обессоленной воды. Уходящие газы после теплообменника 10 - утилизатора теплоты уходящих газов через дымовую трубу (не показана) отводятся в атмосферу.The gas-steam mixture after the waste-heat boiler 5 enters the heat exchanger 10 - heat recovery of flue gases, where it is cooled below the dew point by circulating water supplied by the circulating pump 13 through the pressure pipe 15. In this case, the water vapor contained in the gas-vapor mixture in a superheated state condenses. Water vapor condensate released from the gas-vapor mixture during its cooling below the dew point flows into the condensate collector 11 and is discharged through the water seal 12 into the tank-reservoir 19 of demineralized water. Exhaust gases after the heat exchanger 10 - heat recovery exhaust gases through the chimney (not shown) are discharged into the atmosphere.

Таким образом, снабжение парогазовой установки электростанции выполненным из нержавеющей стали водопроводом, соединяющим посредством водораспределительного коллектора входной воздуховод турбокомпрессора газотурбинной установки с нагнетательным патрубком насоса, для подачи посредством форсунок, присоединенных к водораспределительному коллектору, в поток движущегося во входном воздуховоде турбокомпрессора воздуха конденсата водяных паров, выделяющегося из газопаровой смеси в процессе ее охлаждения ниже точки росы в теплообменнике - утилизаторе теплоты, в количестве 0,01-0,015 кг на 1 кг подаваемого в турбокомпрессор воздуха, улучшает теплофизические свойства рабочего тела в турбокомпрессоре, газовой турбине и котле-утилизаторе и повышает мощность и экономичность парогазовой установки электростанции.Thus, the supply of a combined-cycle plant of a power plant with a water supply pipe made of stainless steel, connecting the inlet air duct of the turbocompressor of the gas turbine plant with the discharge pipe of the pump, for supplying by means of nozzles connected to the water distribution manifold, into the flow of water vapor condensate moving in the inlet air duct of the turbocompressor from the gas-vapor mixture in the process of its cooling below the dew point in the heat exchanger - heat recovery unit, in the amount of 0.01-0.015 kg per 1 kg of air supplied to the turbocharger, improves the thermophysical properties of the working fluid in the turbocharger, gas turbine and waste heat boiler and increases power and efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Claims

Combined-cycle plant of a power plant, containing a gas turbine plant, consisting of a gas turbine, a turbocompressor, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant, consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, a heat exchanger - exhaust gas heat recovery unit, equipped with a condensate collector with a water seal, a circulating water supply system, including a circulation pump, a pressure pipeline to the steam turbine condenser, a pressure pipeline to the heat exchanger - exhaust gas heat recovery unit and a discharge pressure pipeline to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a catchment basin, characterized in that the combined-cycle plant of the power plant is additionally equipped with made of stainless steel water pipe, connecting by means of a water distribution manifold the inlet air duct of the turbocharger of the gas turbine plant with the discharge pipe of the pump, for supply from the reservoir tank to water vapor condensate escaping from the gas-vapor mixture during its cooling below the dew point in the heat exchanger - waste heat heat exchanger, into the flow of air moving in the inlet air duct of the turbocompressor, while the injection of water vapor condensate into the inlet air duct in the amount of 0.01-0.015 kg per 1 kg of air supplied to the turbocharger is carried out by means of nozzles attached to the water distribution manifold.