способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки и газо- и паротурбинная установка

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки, в котором тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде соответствующей газовой турбины, работающей на газе и на жидком топливе, используют для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления, отличающийся тем, что после перевода газовой турбины с работы на газе на работу на жидком топливе питательную воду для ступени высокого давления разделяют на первый и второй частичный поток и подогревают только один из частичных потоков.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после перевода газовой турбины с работы на газе на работу на жидком топливе повышают рабочее давление в ступени низкого давления паровой турбины.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что отношение разветвления между первым частичным потоком и вторым частичным потоком устанавливают в зависимости от температуры конденсата, подлежащего подведению к ступени высокого давления.

4. Газо- и паротурбинная установка с газовой турбиной, работающей на газе или жидком топливе, и с включенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле парогенератором для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень низкого давления и ступень высокого давления, отличающаяся тем, что параллельно подогревателю питательной воды ступени высокого давления, включен обводной трубопровод, с включенным в него вентилем, который регулируется в зависимости от температуры конденсата, подводимого к ступени высокого давления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу эксплуатации газо- и паротурбинной установки, при котором тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде соответствующей газовой турбины, которая может работать в качестве топлива на газе или жидком топливе, используют для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления. Оно относится также к особенно пригодной для осуществления способа газо- и паротурбинной установке с газовой турбиной, которая может работать в качестве топлива на газе или жидком топливе, и с работающим на отходящем тепле парогенератором, подключенным после газовой турбины на стороне дымового газа, для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления.

В случае газо- и паротурбинной установки тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде из газовой турбины, используют для производства пара для паровой турбины. Теплопередача происходит в подключенном после газовой турбины на стороне дымового газа, работающем на отходящем тепле парогенераторе, в котором расположены поверхности нагрева в форме труб или трубных пучков. Они, в свою очередь, включены в пароводяной контур паровой турбины. Пароводяной контур содержит одну или несколько, например две или три, ступени давления, причем каждая ступень давления обычно содержит подогревательную поверхность нагрева (экономайзер), испарительную поверхность нагрева и перегревательную поверхность нагрева. С подобной, известной, например, из ЕР 0148973 В1 газо- и паротурбинной установкой в зависимости от господствующих в пароводяном контуре паровой турбины соотношений давлений достигается термодинамический коэффициент полезного действия порядка 50% или больше.

Газовая турбина подобной газо- и паротурбинной установки может быть рассчитана на эксплуатацию с различными видами топлива. В зависимости от вида топлива, лежащего в основе расчета, требования к работающему на отходящем тепле парогенератору, подключенному после газовой турбины на стороне дымового газа, однако, являются различными. Например, газ как топливо для газовой турбины имеет обычно высокую чистоту, так что в вытекающем из газовой турбины дымовом газе содержатся только малые количества загрязнений.

В противоположность этому в случае котельного топлива в качестве топлива для газовой турбины следует считаться с загрязнениями в вытекающем из газовой турбины дымовом газе. При этом может появляться, в частности, диоксид серы (SO₂) или триоксид серы (SO₃), который оседает после реакции с водой в виде серной кислоты (H₂SO₄) на поверхностях нагрева в работающем на отходящем тепле парогенераторе и может разъедать их. Поэтому при применении жидкого топлива в качестве топлива для газовой турбины к работающему на отходящем тепле парогенератору должны предъявляться другие требования, чем при применении газа в качестве топлива для газовой турбины.

В частности, при применении жидкого топлива в качестве топлива для газовой турбины следует следить за тем, чтобы включенные в пароводяной контур паровой турбины поверхности нагрева и компоненты трубопроводов внутри работающего на отходящем тепле парогенератора имели достаточно высокую температуру, а именно температуру выше точки росы серной кислоты. Для этого при работе газовой турбины на жидком топливе входную температуру воды или конденсата, втекающего в работающий на отходящем тепле парогенератор, по сравнению с работой газовой турбины на газе повышают и регулируют до порядка 120^oС-130^oС.

Газо- и паротурбинной установку, в которой в качестве топлива для газовой турбины жидкое топливо предусмотрено только на короткое время эксплуатации, например для 500-1.500 часов/год в качестве "резерва" к природному газу, обычно рассчитывают и оптимируют в первую очередь для эксплуатации газовой турбины на природном газе. Чтобы при эксплуатации газовой турбины на жидком топливе обеспечить достаточно высокую входную температуру конденсата, втекающего в работающий на отходящем тепле парогенератор, необходимое тепло можно отбирать различным образом из самого работающего на отходящем тепле парогенератора.

Одна возможность заключается в том, чтобы полностью или частично обойти обычно предусмотренный подогреватель конденсата и нагревать конденсат во включенном в пароводяной контур резервуаре питательной воды за счет подвода пара низкого давления. Подобный метод требует конечно при малых давлениях пара имеющую большой объем и при известных условиях многоступенчатую систему теплофикационного пара в резервуаре питательной воды, что при больших промежутках нагрева может отрицательно влиять на обычно имеющую место в резервуаре питательной воды функцию обезгаживания.

Для обеспечения эффективного обезгаживания конденсата температуру конденсата в резервуаре питательной воды постоянно поддерживают в области температур между 130^oС и 160^oС, причем промежуток нагрева конденсата в резервуаре питательной воды должен поддерживаться по возможности малым. Это можно производить, например, за счет подогрева конденсата через дополнительный подогреватель, обогреваемый посредством пара.

Чтобы предоставить в распоряжение для этого достаточно тепла, в случае установок с двумя или тремя давлениями часто является необходимым отбор горячей воды из экономайзера высокого давления работающего на отходящем тепле парогенератора. Это имеет, во всяком случае в установках с тремя давлениями, недостаток, что обычно предусмотренный питательный насос высокого давления может подвергаться воздействию относительно его производительности и что дополнительный подогреватель конденсата особенно неэкономичным образом должен рассчитываться на высокое давление и большие разницы температур.

Кроме того, недостатком является, что при эксплуатации на жидком топливе возникают потери при дросселировании питательного насоса или каждого питательного насоса. Далее отбор горячей воды из экономайзера высокого давления приводит к уменьшению количества пара высокого давления за счет понижения так называемой температуры подхода при высоком давлении, что в свою очередь ведет к уменьшению коэффициента полезного действия установки.

Другим зарекомендовавшим себя методом является поддерживать при работе газовой турбины на жидком топливе нагрев конденсата в резервуаре питательной воды или в дегазаторе паром, отобранным из трубопровода промежуточного перегревателя. Этот метод, однако, является неприменимым в случае установок без резервуара питательной воды или без дегазатора.

Из ЕР 0400370 А2 известен способ эксплуатации газо- и паротурбинной установки, в котором тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде соответствующей газовой турбины, работающей на газе и на жидком топливе, используют для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления. Из ЕР 0400370 А2 также известна газо- и паротурбинная установка с газовой турбиной, работающей на газе или жидком топливе, и с включенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле, парогенератором для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень низкого давления и ступень высокого давления.

Названные концепции для подогрева конденсата при применении жидкого топлива в качестве топлива для газовой турбины являются сложными в связи с необходимыми компонентами и также в связи с режимом работы газо- и паротурбинной установки. К тому же коэффициент полезного действия установки при работе газовой турбины на жидком топливе является только ограниченным.

В основе изобретения поставлена задача создания способа для эксплуатации газо- и паротурбинной установки, в котором тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде соответствующей газовой турбины, работающей как на газе, тек и на жидком топливе, используют для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления, в котором при малых аппаратурных и эксплуатационных расходах независимо от примененного топлива для газовой турбины является достижимым особенно высокий коэффициент полезного действия установки. Кроме того, должна быть указана особенно подходящая для осуществления способа газо- и паротурбинная установка.

Эта задача решается в способе эксплуатации газо- и паротурбинной установки, при котором тепло, содержащееся в расширенной рабочей среде соответствующей газовой турбины, работающей как на газе, так и на жидком топливе, используют для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень высокого давления тем, что после перевода газовой турбины с работы на газе на работу на жидком топливе питательную воду для ступени высокого давления разделяют на первый и второй частичный поток и подогревают только один из частичных потоков.

Изобретение исходит из соображения, что при работе газовой турбины на жидком топливе дополнительно необходимый подогрев конденсата обеспечен особенно простыми средствами и особенно простым образом за счет того, что необходимое для этого тепло передают на конденсат не через пароводяной контур, а напротив, через дымовой газ из газовой турбины. При этом можно отказаться от необходимых при передаче тепла через пароводяной контур компонентов, как, например, теплообменники, подогреватели смешивающего типа, паровые редукционные установки и/или соответствующие трубопроводы. Вместо этого при работе газовой турбины на жидком топливе в подходящем месте уменьшают отбор тепла из дымового газа газовой турбины по сравнению с работой газовой турбины на газообразном топливе так, что в распоряжении имеется достаточно тепла отходящего газа для подогрева конденсата.

Для подходящего изменения отбора тепла из дымового газа газовой турбины при этом предусмотрен подогрев питательной воды для ступени высокого давления паровой турбины. В случае газо- и паротурбинной установки, выполненной в виде установки с тремя давлениями, может быть предусмотрено альтернативно или дополнительно также соответствующее, зависящее от вида работы изменение подогрева питательной воды для ступени среднего давления.

В предпочтительной форме дальнейшего развития после переключения газовой турбины с работы на газообразном топливе на работу на жидком топливе повышают рабочее давление в ступени низкого давления паровой турбины. За счет этого обеспечивают, что при работе газовой турбины на жидком топливе вследствие сравнительно меньшего подогрева питательной воды для ступени высокого давления остающееся в дымовом газе тепло не передают через поверхности нагрева низкого давления на пароводяной контур паровой турбины, а действительно направляют дальше в дымовом газе и тем самым надежно предоставляют в распоряжение для подогрева конденсата.

Рабочее давление в ступени низкого давления при этом можно регулировать таким образом, что производство пара в ступени низкого давления прекращается. Целесообразно рабочее давление в ступени низкого давления паровой турбины, однако, поднимать таким образом, например, до порядка 10-15 бар, что в ступени низкого давления еще остается известное минимальное производство пара для сохранения системных функций.

Для особенно высокого коэффициента полезного действия также в переходной фазе после изменения вида работы газовой турбины отношение разветвления между первым и вторым частичным потоком устанавливают предпочтительным образом в зависимости от температуры конденсата, подлежащего подведению к ступени высокого давления. При этом температуру конденсата, втекающего в работающий на отходящем тепле парогенератор, можно контролировать особенно выгодным образом.

В основе изобретения поставлена также задача создания газо- и паротурбинной установки с газовой турбиной, работающей на газе или жидком топливе, и с включенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле, парогенератором для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень низкого давления и ступень высокого давления, в которой достигается высокий коэффициент полезного действия.

Эта задача достигается в газо- и паротурбинной установке с газовой турбиной, работающей на газе или жидком топливе, и с включенным после газовой турбины на стороне дымового газа, работающим на отходящем тепле парогенератором для получения пара для соответствующей паровой турбины, содержащей по меньшей мере одну ступень низкого давления и ступень высокого давления, что параллельно подогревателю питательной воды ступени высокого давления включен обводной трубопровод с включенным в него вентилем, который регулируется в зависимости от температуры конденсата, подводимого к ступени высокого давления.

Достигаемые с помощью изобретения преимущества заключаются, в частности, в том, что необходимая при работе газовой турбины на жидком топливе по сравнению с работой газовой турбины на газообразном топливе повышенная температура входа воды в работающий на отходящем тепле парогенератор обеспечена особенно простыми средствами. Обычно предусматриваемые при необходимом для этого дополнительном подогреве конденсата сложные компоненты для передачи тепла из пароводяного контура на конденсат, например, за счет подведения пара низкого давления могут отпадать. Вместо этого достаточная передача тепла на конденсат обеспечена за счет того, что в дымовом газе из газовой турбины в области подогревателя конденсата еще содержится достаточно тепла. Необходимое при работе газовой турбины на жидком топливе дополнительное тепло для подогрева конденсата передается таким образом на конденсат непосредственно через дымовой газ. Необходимые для этого конструктивные и эксплуатационные затраты являются особенно малыми.

Кроме того, компоненты пара - водяного контура, как, например, насосы питательной воды высокого давления, могут быть рассчитаны со сравнительно низкими параметрами, так как они не должны быть рассчитаны на обводную работу при работе газовой турбины на жидком топливе с дополнительным отбором воды из экономайзера. Кроме того, в зависимости от выполнения ступени низкого давления паровой турбины и конденсатного насоса можно справляться с температурами входа воды в работающий на отходящем тепле парогенератор до порядка свыше 130^oС. Таким образом можно практически перекрывать весь спектр жидкого топлива для этой цели (резерв топлива), так что возможна стандартизация.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа, на котором изображена схематически газо- и паротурбинная установка.

Газо- и паротурбинная установка 1 согласно чертежу охватывает газотурбинную установку 1а и паротурбинную установку 1b. Газотурбинная установка 1а охватывает газовую турбину 2 с компрессором 4 и подключенную перед газовой турбиной 2 камеру сгорания 6, которая подключена к трубопроводу свежего воздуха 8 воздушного компрессора 4. В камеру сгорания 6 газовой турбины 2 входит топливопровод 10, через который в камеру сгорания 6 является подводимым по выбору в качестве топлива В для газовой турбины 2 газ или жидкое топливо. Газовая турбина 2 и воздушный компрессор 4, а также генератор 12 сидят на общем валу 14.

Паротурбинная установка 1b охватывает паровую турбину 20 с подсоединенным генератором 22 и включенный в пароводяном контуре 24 после паровой турбины 20 конденсатор 26, а также работающий на отходящем тепле парогенератор 30. Паровая турбина 20 состоит из первой ступени давления или части высокого давления 20а и второй ступени давления или части среднего давления 20b, а также третьей ступени давления или части низкого давления 20с, которые через общий вал 32 приводят в действие генератор 22.

Для подведения расширенной в газовой турбине 2 рабочей среды AM или дымового газа в работающий на отходящем тепле парогенератор 30 трубопровод отходящего газа 34 подключен к входу 30а работающего на отходящем тепле парогенератора 30. Расширенная рабочая среда AM из газовой турбины 2 покидает работающий на отходящем тепле парогенератор 30 через его выход 30b в направлении не представленной более подробно дымовой трубы.

Работающий на отходящем тепле парогенератор 30 содержит первый подогреватель конденсата 40, который на стороне входа через трубопровод конденсата 42, в который включен блок конденсатного насоса 44, питается конденсатом К из конденсатора 26. Подогреватель конденсата 40 на стороне выхода подключен к насосу высокого давления 46. Кроме того, трубопровод конденсата 42 через запираемый вентилем 47 циркуляционный трубопровод 48, в который включен циркуляционный насос 49, соединен с трубопроводом конденсата 42. Через циркуляционный трубопровод 48, трубопровод конденсата 42, подогреватель конденсата 40 и трубопровод конденсата 45 таким образом образована циркуляционная петля для конденсата К так, что резервуар питательной воды не требуется. При необходимости, для обвода подогревателя высокого давления 40 трубопровод конденсата 42 может быть, кроме того, непосредственно соединен с насосом высокого давления 46 через не представленный на чертеже обводной трубопровод.

Насос высокого давления 46 доводит вытекающий из подогревателя конденсата 40 подогретый конденсат К до уровня давления, подходящего для приданной в соответствие паровой турбине 20 ступени высокого давления 50 пароводяного контура 24. Находящийся при высоком давлении конденсат является подводимым к ступени высокого давления 50 в качестве питательной воды S через перегреватель питательной воды 52, который подключен на стороне выхода через перекрываемый вентилем 54 трубопровод питательной воды 56 к барабану высокого давления 58. Барабан высокого давления 58 соединен с расположенным в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 испарителе высокого давления 60 для образования пароводяного цикла 62. Для отведения свежего пара F барабан высокого давления 58 подключен к расположенному в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 перегревателю высокого давления 64, который соединен на стороне выхода с впуском пара 66 части высокого давления 20а паровой турбины 20.

Выпуск пара 68 части высокого давления 20а паровой турбины 20 через промежуточный перегреватель 70 подключен к впуску пара 72 части среднего давления 20b паровой турбины 20. Ее выпуск пара 74 соединен через перепускной трубопровод 76 с впуском пара 78 части низкого давления 20с паровой турбины 20. Выпуск пара 80 части низкого давления 20с паровой турбины 20 через паропровод 82 подключен к конденсатору 26 так, что возникает замкнутый пароводяной контур 24.

От насоса высокого давления 46 ответвляется к тому же в месте, в котором конденсат К достиг среднего давления, ответвительный трубопровод 84. Он соединен через второй подогреватель питательной воды 86 с приданной в соответствие паровой турбине 20 ступени среднего давления 90 пароводяного контура. Второй подогреватель питательной воды 86 подключен на стороне выхода через трубопровод питательной воды 94, перекрываемый вентилем 92, к барабану среднего давления 96 ступени среднего давления 90. Барабан среднего давления 96 соединен с расположенным в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 испарителем среднего давления 98 для образования пароводяного цикла. Для отведения свежего пара среднего давления F" барабан среднего давления 96 подключен через паропровод 102 к промежуточному перегревателю и тем самым к впуску пара 72 части среднего давления 20b паровой турбины 20.

При рассмотрении в направлении течения конденсата К после блока конденсатного насоса 44 от трубопровода конденсата 42 ответвляется к тому же дополнительный трубопровод конденсата 104, который входит в расположенный в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 второй подогреватель конденсата 106. Второй подогреватель конденсата 106 соединен на стороне выхода через перекрываемый вентилем 108 трубопровод конденсата 110 с приданной в соответствие паровой турбине 20 ступенью низкого давления 120 пароводяного контура 24.

Ступень низкого давления 120 содержит барабан низкого давления 122, который соединен с расположенным в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 испарителем низкого давления 124 для образования пароводяного цикла 126. Для отведения свежего пара низкого давления F"" барабан низкого давления 122 подключен через паропровод 128 к перепускному трубопроводу 76. Трубопровод конденсата 110 через перекрываемый вентилем 130 циркуляционный трубопровод 132, в который включен циркуляционный насос 134, соединен к тому же с трубопроводом конденсата 104. Через циркуляционный насос 134 конденсат К может циркулировать в образованной циркуляционным трубопроводом 132, трубопроводом конденсата 104, подогревателем конденсата 106 и трубопроводом конденсата 110 циркуляционной петле так, что резервуар питательной воды не требуется. Для обвода при необходимости подогревателя конденсата 106 трубопровод конденсата 104 может быть, кроме того, непосредственно соединен с трубопроводом конденсата 110 через не представленный на чертеже обводной трубопровод.

Параллельно подогревателю питательной воды 52, приданному в соответствие ступени высокого давления 50, включен перекрываемый вентилем 140 обводной трубопровод 142. Вентиль 140 при этом является регулируемым в зависимости от температуры конденсата К, подлежащего подведению к ступени высокого давления 50 или ступени среднего давления 90. Для этого вентиль 140, не представленный более подробно образом, соединен с блоком регулирования, к которому является подводимым входной сигнал, характерный для температуры конденсата К, подлежащего подведению к ступени высокого давления 50 или ступени среднего давления 90.

Параллельно подогревателю питательной воды 86, приданному в соответствие ступени среднего давления 90, также включен перекрываемый вентилем 144 обводной трубопровод 146. Вентиль 144 является регулируемым аналогичным образом, как и вентиль 140, в зависимости от температуры конденсата К, подлежащего подведению к ступени высокого давления 50 или ступени среднего давления 90.

Газовая турбина 2а газо- и паротурбинной установки 1 таким образом может работать в качестве топлива В как на газе, так и на жидком топливе. При работе газовой турбины 2 на газе подводимая к работающему на отходящем тепле парогенераторе 30 рабочая среда AM имеет сравнительно высокую чистоту, так что пароводяной контур 24 в этом состоянии эксплуатации относительно его коэффициента полезного действия может быть оптимирован. В этом состоянии эксплуатации вентили 140, 144 являются закрытыми, так что вся подаваемая насосом высокого давления 46 питательная вода 5 направляется через подогреватель питательной воды 52 или соответственно 86 и там подогревается.

При работе газовой турбины 2а на жидком топливе в подводимой к работающему на отходящем тепле парогенераторе 30 рабочей среде AM могут содержаться загрязнения, в частности диоксид серы SO₂ и серная кислота Н₂SO₄. Чтобы в этом состоянии эксплуатации надежно избежать повреждений на деталях внутри работающего на отходящем тепле парогенератора 30, все расположенные в работающем на отходящем тепле парогенераторе 30 поверхности нагрева, то есть, в частности, также подогреватель конденсата 40 и подогреватель конденсата 106 эксплуатируют с температурой выше, чем точка росы серной кислоты. Для этого по сравнению с работой газовой турбины 2 на газе требуется повышенная температура входа воды для конденсата К, втекающего в работающий на отходящем тепле парогенератор 30, и тем самым сравнительно сильный подогрев конденсата.

Этот сравнительно сильный подогрев конденсата достигается не за счет переноса тепла из пароводяного контура 24 на конденсат К, а более за счет переноса тепла из рабочей среды AM непосредственно на конденсат К. Для этого после перевода газовой турбины 2 с работы на газе на работу на жидком топливе подлежащую подведению к ступени высокого давления 50 и к ступени среднего давления 90 питательную воду S разделяют соответственно на первый частичный поток Т1 и второй частичный поток Т2, причем подогревают соответственно только один из частичных потоков T1, T2.

Чтобы достичь этого, вентили 140 и 144 соответственно частично открывают так, что подлежащий подведению к ступени высокого давления 50 поток питательной воды распределяется на подогреватель питательной воды 52 и на обводной трубопровод 142. Точно так же поток питательной воды, подлежащий подведению к ступени среднего давления 90, распределяется на подогреватель питательной воды 86 и на обводной трубопровод 146. За счет этого из рабочей среды AМ в области подогревателей питательной воды 52, 86 отбирается меньше тепла по сравнению с работой газовой турбины 2 на газе.

Для обеспечения надежного переноса этого остающегося в рабочей среде AM тепла на конденсат К, кроме того, повышают рабочее давление в ступени низкого давления 120 до порядка 10-15 бар. Тем самым избегается прием дополнительно остающегося в рабочей среде AM тепла через испаритель низкого давление 124. За счет этого обеспечен надежный дополнительный нагрев конденсата К через подогреватели конденсата 40, 106.

Газо- и паротурбинная установка 1 является эксплуатируемой при температурах входа конденсата К в работающий на отходящем тепле парогенератор 30 до свыше 130^oС. Таким образом, для газовой турбины 2 можно применять широкий спектр жидкого топлива (резерв топлива) так, что является возможной стандартизация газо- и паротурбинной установки 1 независимо от жидкого топлива.