RU2806955C1

RU2806955C1 - Combined cycle power plant unit

Info

Publication number: RU2806955C1
Application number: RU2023117120A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Кудинов; Светлана Камиловна Зиганшина; Евгений Анатольевич Кудинов
Filing date: 2023-06-29
Publication date: 2023-11-08

Abstract

FIELD: thermal power plants.

SUBSTANCE: combined cycle power plant is proposed, containing a gas turbine unit consisting of a turbocompressor, a combustion chamber, a gas turbine and an electric generator, a waste heat boiler in which the heat exchange surface of a high-pressure steam superheater, the surface of a high-pressure evaporator connected to the drum, and the heat exchange surfaces of a high-pressure water economizer are installed, and a gas condensate heater, a steam turbine unit consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a condensate pump, a feedwater deaerator, a feedwater pump and a condensate recirculation pump, while in a single-circuit waste heat boiler for generating water steam after the high-pressure water economizer in series heat exchange surfaces of a two-stage intermediate superheater are placed along the gas flow, and the steam turbine is made of three cylinders and consists of high, medium and low pressure cylinders, while the flow of water vapor exhausted in the high pressure cylinder of the steam turbine is directed to the first stage of the intermediate superheater, where it is superheated and fed into a medium-pressure cylinder of a steam turbine, after expansion in which the flow of water vapor is directed to the second stage of the intermediate superheater, where it is reheated and supplied to the low-pressure cylinder of a steam turbine, in which the expansion process of water vapor generated in the high-pressure evaporator is completed.

EFFECT: increasing the efficiency of the combined cycle unit of a 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. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. С. 278, рис. 8.8), содержащая газотурбинную установку, состоящую из турбокомпрессора, камеры сгорания, газовой турбины и электрогенератора, котел-утилизатор, в котором установлены теплообменная поверхность пароперегревателя высокого давления, поверхность испарителя высокого давления, подключенная к барабану, и теплообменные поверхности водяного экономайзера высокого давления и газового подогревателя конденсата, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и конденсатного насоса, деаэратор питательной воды, насос питательной воды и насос рециркуляции конденсата. Данный аналог принят за прототип.An analogue is known - a combined-cycle power plant unit (see Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gas turbine and combined-cycle units of thermal power plants. - M.: MPEI Publishing House, 2009. P. 278, Fig. 8.8 ), containing a gas turbine unit consisting of a turbocompressor, a combustion chamber, a gas turbine and an electric generator, a waste heat boiler in which the heat exchange surface of a high-pressure steam superheater, the surface of a high-pressure evaporator connected to the drum, and the heat exchange surfaces of a high-pressure water economizer and a gas heater are installed condensate, a steam turbine unit consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a condensate pump, a feedwater deaerator, a feedwater pump and a condensate recirculation pump. This analogue is accepted 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 эффективностью работы, так как в цилиндр высокого давления паровой турбины подается поток водяного пара высоких параметров, а в цилиндр низкого давления – суммарный поток водяного пара, отработавшего в цилиндре высокого давления и сгенерированного в контуре низкого давления котла-утилизатора, что обусловливает создание специальной конструкции паровой турбины с уменьшенным расходом водяного пара в цилиндр высокого давления и с повышенным – в цилиндр низкого давления. При этом отсутствие промежуточного перегрева водяного пара, частично отработавшего в паровой турбине, приводит при высоких начальных параметрах водяного пара к повышению влажности водяного пара в последних ступенях паровой турбины и обусловливает установку сепаратора влаги, что снижает надежность и КПД паровой турбины. Кроме того, наличие двух контуров генерации водяного пара с двумя питательными насосами и барабанами высокого и низкого давления усложняет конструкцию котла-утилизатора и повышает затраты на строительство и эксплуатацию парогазовой установки электростанции. The reason that prevents the achievement of the technical result indicated below when using a known combined-cycle power plant plant, adopted as a prototype, is that the known combined-cycle power plant plant has reduced operating efficiency, since a flow of high-parameter water vapor is supplied to the high-pressure cylinder of a steam turbine, and low-pressure cylinder - the total flow of water steam exhausted in the high-pressure cylinder and generated in the low-pressure circuit of the waste heat boiler, which leads to the creation of a special design of a steam turbine with a reduced flow of water steam into the high-pressure cylinder and an increased flow into the low-pressure cylinder. At the same time, the absence of intermediate superheating of water steam, partially exhausted in the steam turbine, leads, at high initial parameters of water steam, to an increase in the humidity of water steam in the last stages of the steam turbine and causes the installation of a moisture separator, which reduces the reliability and efficiency of the steam turbine. In addition, the presence of two steam generation circuits with two feed pumps and high and low pressure drums complicates the design of the waste heat boiler and increases the costs of construction and operation of a combined cycle power plant.

Сущность изобретения заключается в следующем. С целью повышения эффективности работы парогазовой установки электростанции целесообразно котел-утилизатор выполнить одноконтурным по генерации водяного пара и разместить в нем после водяного экономайзера высокого давления последовательно по ходу газов теплообменные поверхности двухступенчатого промежуточного пароперегревателя, а паровую турбину выполнить трехцилиндровой, состоящей из цилиндров высокого, среднего и низкого давления. Отработавший в цилиндре высокого давления паровой турбины поток водяного пара необходимо направлять в первую ступень промежуточного пароперегревателя, где осуществлять его перегрев. Перегретый в первой ступени промежуточного пароперегревателя поток водяного пара следует подавать в цилиндр среднего давления паровой турбины, после расширения в котором поток водяного пара необходимо направлять во вторую ступень промежуточного пароперегревателя, где вторично осуществлять его перегрев. Вторично перегретый во второй ступени промежуточного пароперегревателя поток водяного пара необходимо подавать в цилиндр низкого давления паровой турбины, в котором будет завершаться процесс расширения водяного пара, генерируемого в испарителе высокого давления котла-утилизатора. Осуществление двухкратного промежуточного перегрева водяного пара, частично отработавшего в паровой турбине, позволяет повысить начальные параметры водяного пара и его работоспособность и отказаться от использования сепаратора влаги вследствие снижения влажности водяного пара в последних ступенях паровой турбины, что повышает мощность, КПД и надежность паровой турбины. Высокое давление перегретого водяного пара, генерируемого в котле-утилизаторе, создается насосом питательной воды. При этом в тепловой схеме отсутствует контур низкого давления генерации водяного пара, что упрощает конструкцию котла-утилизатора, снижает затраты на строительство и эксплуатацию парогазовой установки электростанции. Кроме того, в хвостовой части котла-утилизатора после теплообменной поверхности газового подогревателя конденсата по ходу газов целесообразно установить теплообменную поверхность подогревателя сетевой воды, что обеспечит снижение температуры уходящих газов и повышение КПД котла-утилизатора.The essence of the invention is as follows. In order to increase the efficiency of the combined cycle gas plant of a power plant, it is advisable to make the waste heat boiler single-circuit for the generation of water steam and place in it after the high-pressure water economizer, sequentially along the flow of gases, the heat exchange surfaces of a two-stage intermediate superheater, and the steam turbine to be made three-cylinder, consisting of high, medium and low pressure. The flow of water vapor exhausted in the high-pressure cylinder of a steam turbine must be directed to the first stage of the intermediate superheater, where it is overheated. The water vapor flow superheated in the first stage of the intermediate superheater should be fed into the medium pressure cylinder of the steam turbine, after expansion in which the water vapor flow must be directed to the second stage of the intermediate superheater, where it is superheated again. The stream of water vapor reheated in the second stage of the intermediate superheater must be supplied to the low-pressure cylinder of the steam turbine, in which the process of expansion of the water vapor generated in the high-pressure evaporator of the waste heat boiler will be completed. Carrying out double intermediate superheating of water steam, partially spent in a steam turbine, makes it possible to increase the initial parameters of water steam and its performance and to abandon the use of a moisture separator due to a decrease in the humidity of water steam in the last stages of the steam turbine, which increases the power, efficiency and reliability of the steam turbine. The high pressure of superheated steam generated in the recovery boiler is created by the feedwater pump. At the same time, in the thermal circuit there is no low-pressure circuit for generating water vapor, which simplifies the design of the waste heat boiler and reduces the costs of construction and operation of the combined cycle gas plant of the power plant. In addition, in the tail part of the waste heat boiler after the heat exchange surface of the gas condensate heater along the flow of gases, it is advisable to install the heat exchange surface of the network water heater, which will reduce the temperature of the flue gases and increase the efficiency of the waste heat boiler.

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

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, в известной парогазовой установке содержащей газотурбинную установку, состоящую из турбокомпрессора, камеры сгорания, газовой турбины и электрогенератора, котел-утилизатор, в котором установлены теплообменная поверхность пароперегревателя высокого давления, поверхность испарителя высокого давления, подключенная к барабану, и теплообменные поверхности водяного экономайзера высокого давления и газового подогревателя конденсата, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и конденсатного насоса, деаэратор питательной воды, насос питательной воды и насос рециркуляции конденсата, особенность парогазовой установки электростанции заключается в том, что в одноконтурном котле-утилизаторе по генерации водяного пара после водяного экономайзера высокого давления последовательно по ходу газов размещены теплообменные поверхности двухступенчатого промежуточного пароперегревателя, а паровая турбина выполнена трехцилиндровой и состоит из цилиндров высокого, среднего и низкого давления, при этом отработавший в цилиндре высокого давления паровой турбины поток водяного пара направляется в первую ступень промежуточного пароперегревателя, где перегревается и подается в цилиндр среднего давления паровой турбины, после расширения в котором поток водяного пара направляется во вторую ступень промежуточного пароперегревателя, где вторично перегревается и подается в цилиндр низкого давления паровой турбины, в котором завершается процесс расширения водяного пара, генерируемого в испарителе высокого давления.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved in a known combined-cycle plant containing a gas turbine unit consisting of a turbocompressor, a combustion chamber, a gas turbine and an electric generator, a waste heat boiler in which the heat exchange surface of a high-pressure steam superheater is installed, the surface of a high-pressure evaporator connected to the drum , and heat exchange surfaces of a high-pressure water economizer and a gas condensate heater, a steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a condensate pump, a feedwater deaerator, a feedwater pump and a condensate recirculation pump, the peculiarity of a combined cycle plant of a power plant is that in a single-circuit waste heat boiler for generating water steam after a high-pressure water economizer, the heat exchange surfaces of a two-stage intermediate superheater are placed sequentially along the flow of gases, and the steam turbine is made of three cylinders and consists of high, medium and low pressure cylinders, while the exhaust gas is in the high pressure cylinder of the steam turbine the stream of water vapor is directed to the first stage of the intermediate superheater, where it is superheated and supplied to the medium pressure cylinder of the steam turbine, after expansion in which the stream of water vapor is directed to the second stage of the intermediate superheater, where it is reheated and supplied to the low pressure cylinder of the steam turbine, in which it is completed the process of expanding water vapor generated in a high-pressure evaporator.

На Фиг. 1 представлена схема парогазовой установки электростанции, поясняющая предлагаемый способ. In FIG. Figure 1 shows a diagram of a combined cycle power plant, explaining the proposed method.

Парогазовая установка электростанции содержит газотурбинную установку, состоящую из турбокомпрессора 1, камеры сгорания 2, газовой турбины 3 и электрогенератора 4, котел-утилизатор, в котором последовательно по ходу газов установлены пароперегреватель 5 высокого давления, испаритель 6 высокого давления, подключенный к барабану 7, водяной экономайзер 8 высокого давления, первая ступень промежуточного пароперегревателя 9, вторая ступень промежуточного пароперегревателя 10, газовый подогреватель конденсата 11 и подогреватель сетевой воды 12, паротурбинную установку, включающую трехцилиндровую паровую турбину, состоящую из цилиндра высокого давления 13, цилиндра среднего давления 14 и цилиндра низкого давления 15, конденсатор 16, конденсатный насос 17 и электрический генератор 18, деаэратор питательной воды 19, насос питательной воды 20 и насос рециркуляции 21 конденсата. A combined-cycle power plant unit contains a gas turbine unit consisting of a turbocompressor 1, a combustion chamber 2, a gas turbine 3 and an electric generator 4, a waste heat boiler in which a high-pressure steam superheater 5, a high-pressure evaporator 6 connected to a drum 7, and a water evaporator are installed in series with the flow of gases. high-pressure economizer 8, first stage of intermediate superheater 9, second stage of intermediate superheater 10, gas condensate heater 11 and heating water heater 12, steam turbine unit, including a three-cylinder steam turbine consisting of a high-pressure cylinder 13, a medium-pressure cylinder 14 and a low-pressure cylinder 15, condenser 16, condensate pump 17 and electric generator 18, feedwater deaerator 19, feedwater pump 20 and condensate recirculation pump 21.

Работа парогазовой установки электростанции осуществляется следующим образом.The operation of the combined cycle gas plant of the power plant is carried out as follows.

В турбокомпрессор 1 газотурбинной установки подается атмосферный воздух, где осуществляется процесс сжатия воздуха до необходимого давления, после чего сжатый воздух направляется в камеру сгорания 2, куда также подается органическое топливо. В камере сгорания 2 осуществляется процессе горения органического топлива с образованием продуктов сгорания. Продукты сгорания смешивают с вторичным воздухом, образовавшиеся газы направляют в газовую турбину 3, где осуществляется процесс расширения газов и совершается работа газотурбинного цикла, затрачиваемая на привод турбокомпрессора 1 и электрогенератора 4. Отработавшие в газовой турбине 2 газы отводятся в котел-утилизатор, в котором последовательно проходят установленные в нем теплообменные поверхности: пароперегревателя 5, испарителя 6 и водяного экономайзера 8 высокого давления, первую ступень промежуточного пароперегревателя 9 и вторую ступень промежуточного пароперегревателя 10, газового подогревателя конденсата 11 и подогревателя сетевой воды 12, охлаждаются и через дымовую трубу (не показана) отводятся в атмосферу.Atmospheric air is supplied to the turbocompressor 1 of the gas turbine unit, where the process of compressing the air to the required pressure is carried out, after which the compressed air is sent to the combustion chamber 2, where organic fuel is also supplied. In combustion chamber 2, the combustion process of organic fuel is carried out with the formation of combustion products. Combustion products are mixed with secondary air, the resulting gases are sent to gas turbine 3, where the gas expansion process is carried out and the work of the gas turbine cycle is performed, spent on driving the turbocompressor 1 and the electric generator 4. The gases exhausted in the gas turbine 2 are discharged into a waste heat boiler, in which pass the heat exchange surfaces installed in it: steam superheater 5, evaporator 6 and high-pressure water economizer 8, the first stage of the intermediate superheater 9 and the second stage of the intermediate superheater 10, the gas condensate heater 11 and the heating water heater 12, and are cooled through the chimney (not shown) are released into the atmosphere.

Из деаэратора питательной воды 19 питательная вода насосом питательной воды 20 подается в водяной экономайзер 8 высокого давления, подогревается и направляется в барабан 7 испарителя 6 высокого давления. В испарителе 6 высокого давления осуществляется процесс генерации насыщенного водяного пара, который отделяется от воды в барабане 7, с образованием сухого насыщенного водяного пара. Сухой насыщенный водяной пар из барабана 7 направляется в пароперегреватель 5 высокого давления, где перегревается и подается в цилиндр высокого давления 13 паровой турбины. Отработавший в цилиндре высокого давления 13 водяной пар отводится в первую ступень промежуточного пароперегревателя 9, перегревается и направляется в цилиндр среднего давления 14 паровой турбины. Отработавший в цилиндре среднего давления 14 водяной пар отводится во вторую ступень промежуточного пароперегревателя 10, вторично перегревается и направляется в цилиндр низкого давления 15 паровой турбины, где завершается процесс расширения водяного пара. Полезная работа паросилового цикла, совершаемая водяным паром в процессе расширения в паровой турбине, затрачивается на привод электрического генератора 18. При этом работа, совершаемая водяным паром в паровой турбине, будет больше по сравнению со случаем, когда отсутствует промежуточный перегрев водяного пара, за счет повышения располагаемого теплоперепада вследствие повышения температуры рабочего тела.From the feedwater deaerator 19, the feedwater is supplied by the feedwater pump 20 to the high-pressure water economizer 8, heated and sent to the drum 7 of the high-pressure evaporator 6. In the high-pressure evaporator 6, the process of generating saturated water vapor is carried out, which is separated from the water in the drum 7, forming dry saturated water vapor. Dry saturated water vapor from drum 7 is sent to high-pressure superheater 5, where it is overheated and supplied to high-pressure cylinder 13 of the steam turbine. The water vapor exhausted in the high-pressure cylinder 13 is discharged into the first stage of the intermediate superheater 9, overheated and sent to the medium-pressure cylinder 14 of the steam turbine. The water vapor exhausted in the medium pressure cylinder 14 is discharged to the second stage of the intermediate superheater 10, is reheated and sent to the low pressure cylinder 15 of the steam turbine, where the expansion process of the water vapor is completed. The useful work of the steam power cycle performed by water steam during the expansion process in the steam turbine is spent on driving the electric generator 18. In this case, the work performed by water steam in the steam turbine will be greater compared to the case when there is no intermediate superheating of water steam, due to the increase available heat drop due to an increase in the temperature of the working fluid.

Отработавший в паровой турбине водяной пар отводится в конденсатор 16, где в процессе теплообмена с циркуляционной водой осуществляется конденсация водяного пара. Образовавшийся в конденсаторе 16 конденсат конденсатным насосом 17 подается в газовый подогреватель конденсата 11, подогревается и направляется в деаэратор питательной воды 19. Повышение температуры конденсата на входе в газовый подогреватель конденсата 11 производится путем его частичной рециркуляции, осуществляемой насосом рециркуляции 21.The water vapor exhausted in the steam turbine is discharged into condenser 16, where the water vapor is condensed in the process of heat exchange with circulating water. The condensate formed in the condenser 16 is fed by the condensate pump 17 to the gas condensate heater 11, is heated and sent to the feed water deaerator 19. The temperature of the condensate at the inlet to the gas condensate heater 11 is increased by partially recirculating it, carried out by the recirculation pump 21.

Таким образом, устройство котла-утилизатора одноконтурным по генерации водяного пара и осуществление двухкратного промежуточного перегрева водяного пара, частично отработавшего в паровой турбине, за счет установки в котле-утилизаторе после водяного экономайзера высокого давления последовательно по ходу газов теплообменных поверхностей двухступенчатого промежуточного пароперегревателя и выполнение паровой турбины трехцилиндровой позволяет повысить начальные параметры водяного пара и его работоспособность вследствие снижения влажности водяного пара в последних ступенях паровой турбины, что повышает мощность, КПД и надежность паровой турбины. При этом в тепловой схеме отсутствует контур низкого давления генерации водяного пара, что упрощает конструкцию котла-утилизатора и снижает затраты на строительство и эксплуатацию парогазовой установки электростанции.Thus, the design of the waste heat boiler is single-circuit for the generation of water steam and the implementation of double intermediate superheating of water steam, partially exhausted in the steam turbine, due to the installation in the waste heat boiler after the high-pressure water economizer sequentially along the gas flow of the heat exchange surfaces of the two-stage intermediate superheater and the implementation of steam A three-cylinder turbine makes it possible to increase the initial parameters of water steam and its performance due to a decrease in the humidity of water steam in the last stages of the steam turbine, which increases the power, efficiency and reliability of the steam turbine. At the same time, in the thermal circuit there is no low-pressure circuit for generating water vapor, which simplifies the design of the waste heat boiler and reduces the costs of construction and operation of the combined cycle gas plant of the power plant.

Claims

Combined-cycle power plant , containing a gas turbine unit consisting of a turbocompressor, a combustion chamber, a gas turbine and an electric generator, a waste heat boiler in which the heat exchange surface of a high-pressure steam superheater, the surface of a high-pressure evaporator connected to the drum, and the heat exchange surfaces of a high-pressure water economizer and gas condensate heater, a steam turbine unit consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a condensate pump, a feedwater deaerator, a feedwater pump and a condensate recirculation pump, characterized in that in a single-circuit waste heat boiler for generating water steam after a high-pressure water economizer The heat exchange surfaces of a two-stage intermediate superheater are placed sequentially along the flow of gases, and the steam turbine is made of three cylinders and consists of high, medium and low pressure cylinders, while the flow of water vapor exhausted in the high pressure cylinder of the steam turbine is directed to the first stage of the intermediate superheater, where it is superheated and supplied into the medium-pressure cylinder of the steam turbine, after expansion in which the flow of water vapor is directed to the second stage of the intermediate superheater, where it is reheated and supplied to the low-pressure cylinder of the steam turbine, in which the process of expansion of the water vapor generated in the high-pressure evaporator is completed.