RU68597U1

RU68597U1 - COMBINED GAS TURBINE PLANT FOR ELECTRICITY AND HEAT PRODUCTION

Info

Publication number: RU68597U1
Application number: RU2007122135/22U
Authority: RU
Inventors: Борис Соломонович Ревзин; Олег Вячеславович Комаров; Алексей Андреевич Стяжкин
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2007-11-27

Abstract

Комбинированная газотурбинная установка для выработки электроэнергии и теплоты содержит компрессор, основную камеру сгорания, камеру сгорания промежуточного подогрева, газовую турбину, электрогенератор переменного тока, рекуператор и утилизационный подогреватель воды, а также воздушную турбину, соединенную с дополнительно введенным воздушным компрессором и электрогенератором переменного тока, и снабженную дополнительным утилизационным подогревателем воды. Газовая и воздушная турбины могут быть выполнены из двух отсеков, соединенных с электрогенераторами. Для обеспечения более гибких и оптимальных режимов совместной выработки тепловой и электрической энергии в зависимости от сезонных условий на выхлопном тракте за газовой турбиной установлены горячие шиберы.A combined gas and turbine installation for generating electricity and heat comprises a compressor, a main combustion chamber, an intermediate heating combustion chamber, a gas turbine, an alternating current electric generator, a water recuperator and a waste heat heater, and an air turbine connected to an additional air compressor and alternating current generator, and equipped with an additional recycling water heater. Gas and air turbines can be made of two compartments connected to electric generators. To provide more flexible and optimal modes for the joint production of heat and electric energy, depending on seasonal conditions, hot gates are installed on the exhaust duct behind the gas turbine.

Description

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к схемам комбинированных газотурбинных установок (ГТУ), которые используются для автономной работы или как теплофикационные, и в целом - на тепловых электростанциях, где в качестве топлива используется природный газ или легкое жидкое топливо.The utility model relates to a power system, namely, to schemes of combined gas turbine units (GTU), which are used for stand-alone operation or as heating plants, and in general in thermal power plants where natural gas or light liquid fuel is used as fuel.

Энергетические теплофикационные газотурбинные установки широко распространены в народном хозяйстве [см. «Каталог газотурбинного оборудования» издательства журнала «Газотурбинные технологии», 2006 г., стр.138] для снабжения потребителей электроэнергией и теплом. При этом наиболее простыми из них признаны когенерационные ГТУ, где тепло уходящих газов используют для нагрева рабочего тела в котле-утилизаторе. Работающие по такой схеме ГТУ имеют тепловую отдачу от одного до полутора кВт на один киловатт выработанной мощности, а эффективный коэффициент полезного действия (КПД) при отсутствии теплопотребления большей частью не выше 40%. Коэффициент использования энергии топлива обычно составляет 75-78%. Основной недостаток ГТУ когенерационного цикла - низкая экономичность по сравнению с отмеченными ниже установками, реализующими более сложные термодинамические циклы.Power cogeneration gas turbine plants are widespread in the national economy [see “Catalog of gas-turbine equipment” of the publishing house of the journal “Gas-turbine technologies”, 2006, p.138] for supplying consumers with electricity and heat. At the same time, cogeneration gas turbines are recognized as the simplest of them, where the heat of the exhaust gases is used to heat the working fluid in a waste heat boiler. GTUs operating according to such a scheme have a heat output from one to one and a half kW per kilowatt of generated power, and the effective coefficient of efficiency (COP) in the absence of heat consumption is mostly not higher than 40%. The fuel energy utilization ratio is usually 75-78%. The main drawback of the gas turbine unit of the cogeneration cycle is its low profitability compared to the units noted below, which implement more complex thermodynamic cycles.

Повышение экономичности ГТУ возможно за счет применения промежуточного подогрева как, например, в стационарной газотурбинной установке ГТ-100-3М [РД 34.30.731 Типовая энергетическая характеристика газотурбинной установки ГТ-100 ЛМЗ: ТХ 34-70-005-84. 1985]. Недостатком такого решения для стационарных ГТУ средней мощности является высокая температура уходящих газов и, следовательно, необходимость организовывать паросиловой цикл для эффективного использования углеводородного топлива, что сопровождается большим усложнением эксплуатации.Improving the efficiency of gas turbines is possible through the use of intermediate heating, as, for example, in a stationary gas turbine unit GT-100-3M [RD 34.30.731 Typical energy characteristic of a gas turbine unit GT-100 LMZ: ТХ 34-70-005-84. 1985]. The disadvantage of this solution for stationary gas turbines of medium power is the high temperature of the exhaust gases and, therefore, the need to organize a steam-power cycle for the efficient use of hydrocarbon fuel, which is accompanied by a great complication of operation.

Тем не менее, широко распространены энергетические установки комбинированного цикла [см. «Каталог газотурбинного оборудования» издательства журнала «Газотурбинные технологии», 2006 г., стр.144], когда за ГТУ устанавливается паровой котел-утилизатор и паровая турбина. Кроме того, для обеспечения работы парогазовой установки (ПГУ) необходимо комплектовать ее конденсационной установкой, системой водоподготовки и другим вспомогательным оборудованием. Наибольшая экономичность - на уровне 55-58% - достигается для энергоблоков большой мощности, работающих в составе крупных разветвленных энергетических комплексов. КПД комбинированных агрегатов средней мощности, применимых, прежде всего, на малоосвоенных территориях и в автономных энергосистемах составляет 43-47%.However, combined cycle power plants are widespread [see “Catalog of gas-turbine equipment” of the publishing house of the journal “Gas-turbine technologies”, 2006, p. 144], when a steam recovery boiler and a steam turbine are installed behind the gas turbine unit. In addition, to ensure the operation of a combined cycle plant (CCGT), it is necessary to equip it with a condensing unit, a water treatment system and other auxiliary equipment. The greatest efficiency - at the level of 55-58% - is achieved for large power units operating as part of large branched energy complexes. The efficiency of combined units of medium power, applicable primarily in underdeveloped territories and in autonomous energy systems, is 43-47%.

Основными недостатками таких ПГУ является необходимость сложного преобразования специально подготовленной воды в пар и обратно, что значительно усложняет установку из-за увеличения количества вспомогательного оборудования и компоновку из-за больших габаритных размеров комплектующего оборудования. Как следствие - увеличение удельной стоимости установленного киловатта мощности.The main disadvantages of such CCGT units is the need for complex conversion of specially prepared water into steam and vice versa, which greatly complicates the installation due to an increase in the number of auxiliary equipment and layout due to the large overall dimensions of the component equipment. As a result, an increase in the unit cost of the installed kilowatt of power.

Также в практике теплоэнергетики реализованы схемы ПГУ с теплофикацией [см. «Каталог газотурбинного оборудования» издательства журнала «Газотурбинные технологии», 2006 г., стр.144] за счет отбора пара от противодавленческой паровой турбины, или газового подогревателя сетевой воды или регенеративных подогревателей и др., что в свою очередь усложняет и удорожает конструкцию установки и ее эксплуатацию.Also, in the practice of power engineering, CCGT schemes with cogeneration are implemented [see “Catalog of gas-turbine equipment” of the publishing house of the journal “Gas-turbine technologies”, 2006, p. 144] due to the selection of steam from a backpressure steam turbine, or a gas network water heater or regenerative heaters, etc., which in turn complicates and increases the cost of the installation design and its operation.

Общим недостатком для аналогичных предлагаемой полезной модели установок (например, энергетические ГТУ GT-26 и GT-24 фирмы «Альстом» [см. «Каталог газотурбинного оборудования» издательства журнала «Газотурбинные технологии», 2006 г., стр.144]), имеющих промежуточный подогрев и снабженных паросиловым энергоблоком с котлом-утилизатором и паровой турбиной, является высокая сложность и металлоемкость паросиловой части энергоблока. Кроме того, не решается основная проблема, которая заключается в том, что ГТУ для автономной работы имеют эффективный КПД порядка 40% при температуре газа 1273...1473 К и степени сжатия в цикле 16-24. При этом температура газа за газовой турбиной составляет 550-600°С и, хотя достаточна для теплофикации, но выработка электроэнергии на единицу сожженного топлива недостаточна для эффективного народно-хозяйственного использования и теряется высокий потенциал, так как для теплофикации достаточна температура греющей среды около 200°С.A common drawback for similar installations of the proposed utility model (for example, GTU-26 and GT-24 power plants of Alstom firm [see "Catalog of gas-turbine equipment" of the journal "Gas-turbine technologies", 2006, p. 144]), having intermediate heating and equipped with a steam power unit with a waste heat boiler and a steam turbine, is the high complexity and metal consumption of the steam power part of the power unit. In addition, the main problem is not solved, which is that gas turbines for autonomous operation have an effective efficiency of about 40% at a gas temperature of 1273 ... 1473 K and a compression ratio in the cycle of 16-24. At the same time, the gas temperature behind the gas turbine is 550-600 ° C and, although sufficient for heating, the generation of electricity per unit of burned fuel is insufficient for efficient economic use and high potential is lost, since heating temperature of about 200 ° is sufficient for heating FROM.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является комбинированная газотурбинная установка [патент РФ №2122131 МПК F02C 6/00 опуб. 20.11.1998 г.], содержащая компрессор, основную камеру сгорания высокого давления (ВД), камеру сгорания промежуточного подогрева низкого давления (НД), газовую турбину, электрогенератор переменного тока, рекуператор, утилизационный подогреватель воды. В рассмотренной схеме воздушный компрессор подключен через вал к свободной турбине основного контура, а линия нагнетания компрессора подключена к камере сгорания дополнительного контура через рекуперативный газовоздушный теплообменник, утилизирующий тепло отходящих газов турбины привода электрогенератора. К недостаткам прототипа следует отнести: наличие дожигающей камеры сгорания в дополнительном контуре, что требует дополнительного расхода топлива и, следовательно, снижает общую экономичность установки; повышенную The closest in technical essence and the achieved result is a combined gas turbine installation [RF patent No. 2121313 IPC F02C 6/00 publ. November 20, 1998], comprising a compressor, a main high-pressure (VD) combustion chamber, a low-pressure intermediate heating (ND) combustion chamber, a gas turbine, an alternating current generator, a recuperator, and a recycling water heater. In the considered scheme, the air compressor is connected through a shaft to a free turbine of the main circuit, and the compressor discharge line is connected to the combustion chamber of the additional circuit through a recuperative gas-air heat exchanger that utilizes the heat of the exhaust gases of the generator’s drive turbine. The disadvantages of the prototype include: the presence of a afterburning combustion chamber in an additional circuit, which requires additional fuel consumption and, therefore, reduces the overall efficiency of the installation; increased

сложность установки, предусматривающей работу теплообменника с двумя источниками греющей среды с различными температурами.the complexity of the installation, providing for the operation of the heat exchanger with two sources of heating medium with different temperatures.

Задачей, которая решается при использовании заявляемой полезной модели, является разработка более эффективной по сравнению прототипом схемы комбинированной теплофикационной газотурбинной установки средней мощности с меньшим набором вспомогательного оборудования и менее дорогой его стоимостью.The problem that is solved when using the inventive utility model is to develop a more efficient compared to the prototype scheme of the combined heat and gas gas turbine installation of medium power with a smaller set of auxiliary equipment and its less expensive cost.

Поставленная задача решается за счет того, что комбинированная газотурбинная установка для выработки электроэнергии и теплоты, содержащая компрессор, основную камеру сгорания, камеру сгорания промежуточного подогрева, газовую турбину, электрогенератор переменного тока, рекуператор и утилизационный подогреватель воды, также включает дополнительный утилизационный газовоздушный модуль (контур), содержащий воздушный компрессор и воздушную турбину, и приводящий дополнительный электрогенератор переменного тока. Для целей теплофикации дополнительный контур снабжен утилизационным теплообменником, установленным в выхлопном тракте за воздушной турбиной. В выхлопном тракте за газовой турбиной перед рекуператором имеются горячие шиберы.The problem is solved due to the fact that the combined gas turbine installation for generating electricity and heat, containing a compressor, a main combustion chamber, an intermediate heating combustion chamber, a gas turbine, an alternating current generator, a heat exchanger and a recycling water heater, also includes an additional recycling gas-air module (circuit ) containing an air compressor and an air turbine, and driving an additional alternating current electric generator. For the purpose of heating, the additional circuit is equipped with a recycling heat exchanger installed in the exhaust duct behind the air turbine. In the exhaust tract behind the gas turbine in front of the recuperator there are hot gates.

При реализации такой схемы достигается высокая экономичность установки при работе без теплофикации, простой набор и невысокая металлоемкость оборудования; в зависимости от сезонных условий обеспечиваются более гибкие и оптимальные режимы совместной выработки тепловой и электрической энергии. Схема позволяет обеспечить КПД установки в %: 46, при температуре газа перед турбиной за основной камерой сгорания 1373К, температуре перед турбиной за камерой сгорания промежуточного подогрева 1173К, степени регенерации 0,85...0,90%, температуре атмосферного воздуха +5°С; а при температуре газа перед турбиной за основной камерой сгорания 1473К и температуре атмосферного воздуха 0...-5°С КПД возрастает до 48-50%.When implementing such a scheme, high efficiency of the installation is achieved when working without heating, a simple set and low metal consumption of the equipment; depending on seasonal conditions, more flexible and optimal modes of joint production of heat and electric energy are provided. The scheme allows ensuring the efficiency of the installation in%: 46, at a gas temperature in front of the turbine behind the main combustion chamber of 1373K, a temperature in front of the turbine behind the intermediate heating combustion chamber of 1173K, a degree of regeneration of 0.85 ... 0.90%, atmospheric temperature + 5 ° FROM; and at a gas temperature in front of the turbine behind the main combustion chamber 1473K and atmospheric air temperature 0 ...- 5 ° С, the efficiency increases to 48-50%.

Схема предполагаемой полезной модели представлена на фиг.A diagram of the proposed utility model is shown in FIG.

Комбинированная газотурбинная установка для выработки электроэнергии и теплоты представляет собой основной контур, содержащий основной осевой компрессор 1, основную камеру сгорания 2, камеру сгорания промежуточного подогрева 3 и газовую турбину 4 с присоединенным к ней электрогенератором переменного тока 5. В выхлопном тракте основного контура имеются горячие шиберы 6, через которые продукты сгорания из основного контура направляются в рекуператор 7 и далее в утилизационный теплообменник газ-вода 8. Помимо основного контура в установке имеется дополнительный контур, включающий воздушный компрессор дополнительного контура 9, воздушную турбину 10, соединенную с электрогенератором переменного тока The combined gas turbine installation for generating electricity and heat is a main circuit comprising a main axial compressor 1, a main combustion chamber 2, an intermediate heating combustion chamber 3, and a gas turbine 4 with an alternating current generator connected to it 5. There are hot gates in the exhaust duct of the main circuit 6, through which the combustion products from the main circuit are sent to the recuperator 7 and then to the gas-water recovery heat exchanger 8. In addition to the main circuit in the installation s an additional loop comprising an additional air compressor circuit 9, an air turbine 10 which is connected to an electric ac

дополнительного контура 11. В выхлопном тракте за воздушной турбиной 10 установлен утилизационный подогреватель воды (теплообменник воздух-вода) 12.additional circuit 11. In the exhaust tract behind the air turbine 10, a recycling water heater (air-water heat exchanger) 12 is installed.

При работе газотурбинной установки забираемый из атмосферы воздух сжимается в осевом компрессоре 1 основного контура и направляется в основную камеру сгорания 2, продукты сгорания из которой поступают в газовую турбину 4, имеющую камеру сгорания промежуточного подогрева 3, в которой к продуктам сгорания подводится дополнительное количество теплоты. Продукты сгорания из газовой турбины 4 через размещенные в выхлопном тракте горячие шиберы 6 поступают в рекуператор 7, где производится подогрев проходящего в противотоке воздуха, отбираемого из атмосферы и сжатого в воздушном компрессоре дополнительного контура 9. Продукты сгорания из рекуператора 7 направляются в утилизационный теплообменник газ-вода 8, где производится нагрев сетевой воды до температуры, требуемой для коммунальных нужд, после чего выбрасываются в атмосферу.During the operation of the gas turbine installation, the air taken from the atmosphere is compressed in the axial compressor 1 of the main circuit and sent to the main combustion chamber 2, the combustion products from which enter the gas turbine 4 having an intermediate heating combustion chamber 3, in which additional heat is supplied to the combustion products. The combustion products from the gas turbine 4 through the hot gates 6 located in the exhaust tract enter the recuperator 7, where the countercurrent air drawn from the atmosphere and compressed in the air compressor of the additional circuit 9 is heated. The combustion products from the recuperator 7 are sent to a gas-utilization heat exchanger water 8, where network water is heated to the temperature required for communal needs, and then released into the atmosphere.

Параллельно основному контуру в дополнительном - воздух, забираемый из атмосферы воздушным компрессором дополнительного контура 9, сжимается и подогревается продуктами сгорания из основного контура в рекуператоре 7, после чего направляется в воздушную турбину 10, где расширяется и через утилизационный теплообменник воздух-вода 12 направляется на выхлоп. На одном валу с воздушным компрессором дополнительного контура 9 и воздушной турбиной 10 находится электрогенератор переменного тока дополнительного контура 11. В утилизационном теплообменнике воздух-вода 12 производится нагрев сетевой воды для коммунальных нужд.Parallel to the main circuit in the secondary circuit, air taken from the atmosphere by the air compressor of the secondary circuit 9 is compressed and heated by combustion products from the main circuit in the recuperator 7, after which it is sent to the air turbine 10, where it is expanded and sent through the exhaust heat exchanger to air exhaust 12 . On the same shaft with the air compressor of the additional circuit 9 and the air turbine 10 is an alternating current electric generator of the additional circuit 11. In the utilization air-water heat exchanger 12, heating of the mains water is carried out for utility needs.

Горячие шиберы 6, размещенные в выхлопном тракте основного контура, позволяют в зимнее время года при избытке мощности, полученной в основном контуре, частично байпасировать рекуператор 7 по газу с целью отдачи теплоты потребителю посредством дополнительного подогрева сетевой воды в утилизационном теплообменнике газ-вода 8 основного контура и утилизационном теплообменнике воздух-вода 12 дополнительного контура.Hot gates 6, located in the exhaust circuit of the main circuit, allow in the winter season, with excess power received in the main circuit, to partially bypass the gas recuperator 7 in order to transfer heat to the consumer through additional heating of the mains water in the gas-water 8 heat exchanger of the main circuit and a recycling air-water heat exchanger 12 of an additional circuit.

Газовая турбина 4 и воздушная турбина 10 могут быть выполнены из двух отсеков. При этом: отсек газовой турбины 4, расположенный за основной камерой сгорания 3, приводит во вращение осевой компрессор 1; отсек газовой турбины 4, расположенный за камерой сгорания промежуточного подогрева 3, приводит во вращение электрогенератор переменного тока 5. В случае выполнения воздушной турбины 10 из двух отсеков - первый из них по ходу движения рабочего тела приводит во вращение воздушный компрессор дополнительного контура 9, второй - электрогенератор переменного тока дополнительного контура 11.The gas turbine 4 and the air turbine 10 can be made of two compartments. In this case: the compartment of the gas turbine 4, located behind the main combustion chamber 3, drives the axial compressor 1; the gas turbine compartment 4, located behind the intermediate heating combustion chamber 3, drives the alternating current generator 5. In the case of an air turbine 10 of two compartments, the first of them, in the direction of movement of the working fluid, rotates the air compressor of the additional circuit 9, the second - alternating current alternator 11.

Claims

1. Combined gas turbine plant for generating electricity and heat, comprising a compressor, a main combustion chamber, an intermediate heating combustion chamber, a gas turbine, an alternating current generator, a recuperator and a waste water heater, characterized in that it further comprises an air turbine connected to an additionally introduced an air compressor and an alternating current electric generator, and equipped with a recycling water heater.

2. The combined gas turbine installation for generating electricity and heat according to claim 1, characterized in that the gas and air turbines are made of two compartments connected to electric generators.