Теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя

Теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя

Реферат

Настоящее изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплоэнергетической установке утилизации теплоты горячих выхлопных газов газотурбинных двигателей (ГТД) для производства тепла и электроэнергии.

Газотурбинные двигатели широко используются в качестве привода энергосиловых установок в различных отраслях промышленности, например в энергетике, на транспорте, в газовой и нефтяной промышленности. В случае их применения в газотурбинных установках простого рабочего цикла, которые широко используются, например на транспорте, выхлопные газы ГТД выбрасываются в окружающую среду. Однако, при температуре выхлопных газов 400-500°С, что характерно для современных конструкций ГТД, целесообразна утилизация теплоты выхлопных газов для ее последующего использования.

Известны способы утилизации теплоты выхлопных газов ГТД и конструкции приводных установок различного назначения на основе ГТД, в которых в выхлопной шахте двигателя установлен выхлопной котел-утилизатор для реализации теплофикационного цикла [1].

Недостатками такой схемы утилизации теплоты выхлопных газов является невозможность равномерной загрузки тепловой системы, из-за сезонной неравномерности потребления тепла, а также необходимость наличия разветвленной системы теплопотребления. Особые трудности реализации такой схемы возникают при эксплуатации теплоэнергетических установок в отдаленных малоосвоенных районах, где нет крупных потребителей вырабатываемой теплоты.

Известен способ утилизации теплоты выхлопных газов ГТД и конструкция теплоэнергетической установки на основе ГТД для привода генератора и получения горячих выхлопных газов [2], содержащая теплопроизводящую систему на основе утилизации теплоты выхлопных газов, включающую котел-утилизатор, и энергопроизводящую систему, включающую электрогенераторную установку с парогазовым приводом. Для такого способа и установки характерен бинарный рабочий цикл, при котором выработка электроэнергии осуществляется генераторами, приводимыми в действие газовой и паровой турбинами, причем выработка водяного пара осуществляется котлом-утилизатором, установленным в выхлопной шахте ГТД. При такой схеме энерготепловой установки для выработки теплоты, расходуемой на теплофикационные цели, необходимо осуществлять промежуточный отбор пара на турбине или применять паровую турбину с противодавлением для парового нагрева воды, используемой в теплофикационной сети, что усложняет и удорожает как конструкцию установки, так и ее эксплуатацию.

Наиболее близкими к заявляемому техническому решению по существенным признакам и поставленной технической задаче являются известные способ утилизации теплоты выхлопных газов ГТД и конструкция энергетической установки на основе ГТД [3] для привода основного генератора или турбокомпрессора и получения горячих выхлопных газов, содержащая теплопроизводящую систему на основе утилизации теплоты выхлопных газов, включающую водяной котел-утилизатор, насосную установку для циркуляции нагреваемой воды в теплопроизводящей системе, а также энергопроизводящую систему, состоящую из замкнутого контура, оснащенного теплообменным, насосным, емкостным оборудованием, а также оборудованием для конденсации паров рабочей среды, запорной и регулирующей арматуры, утилизационной электрогенераторной установки с паротурбинным приводом, системы автоматизированного управления и регулирования работы теплопроизводящей и энергопроизводящей систем. Данная установка также работает по бинарному рабочему циклу, при этом в качестве рабочей среды в замкнутом контуре применяется пентан или изобутан, а в качестве теплоносителя для испарения указанной рабочей среды может применяться вода, нагреваемая в котле-утилизаторе, размещенном на выхлопной шахте газотурбинного двигателя. Недостатком такого способа и конструкции установки для его осуществления является отсутствие возможности одновременной работы теплопроизводящей и энергопроизводящей систем в теплофикационном режиме и в режиме энергопроизводства. Кроме того, выработка пара при работе турбины энергопроизводящего контура обеспечивается специальной системой регулирования температуры выхлопных газов, что усложняет конструкцию установки в целом. Недостатком конструкции установки является также. отсутствие в системе управления и регулирования устройств, обеспечивающих взаимную увязку режимов работы теплопроизводящей и энергопроизводящей систем для обеспечения их наиболее эффективной работы. Еще одним недостатком указанной установки является использование воздушного теплообменника в качестве конденсатора пара низкокипящей рабочей среды в энергопроизводящем контуре, что ограничивает возможности ее эксплуатации в летний период года. Использование в качестве рабочей среды чистого пентана или изобутана в некоторых случаях, например, на компрессорных станциях, расположенных в отдаленных районах, связано с определенными неудобствами в обеспечении установок данными веществами в связи с проблемами, возникающими при организации их доставки и хранения непосредственно на месте их использования, что противоречит требованиям автономности эксплуатации. В ряде случаев, например, на компрессорных станциях нефтяной промышленности, более целесообразно углеводородную рабочую смесь получать путем переработки имеющегося конденсата в автономной установке на месте эксплуатации.

Таким образом, на основании изложенного выше, техническая задача, которую решает настоящее предполагаемое изобретение, состоит в создании более эффективной по сравнению с существующим уровнем техники конструкции теплоэнергетической установки для утилизации теплоты выхлопных газов ГТД, включающей работающий на воде утилизационный контур теплопроизводящей системы, который имеет двойное назначение, т.е. способен обеспечить подачу утилизируемой теплоты в теплофикационную сеть на заданных режимах, а также эффективную работу энергопроизводящей системы, в составе которой используется утилизационный паротурбинный модуль. При этом в зависимости от сезонных условий эксплуатации, обеспечивается возможность работы заявляемой теплоэнергетической установки или в режиме электростанции, или в когенерационном режиме, то есть появляется возможность одновременной выработки как горячей воды, так и электроэнергии.

Созданная в соответствии с предполагаемым изобретением теплоэнергетическая установка на основе газотурбинного двигателя (ГТД), предназначенного для привода основного генератора или турбокомпрессора и получения горячих выхлопных газов, обеспечивает решение поставленной технической задачи, направленной на повышение эффективности утилизации теплоты горячих выхлопных газов газотурбинного двигателя (ГТД), за счет обеспечения эффективной работы энергопроизводящей системы при одновременной подаче утилизируемой теплоты в теплофикационную сеть.

Созданная теплоэнергетическая установка, как и известные из состояния уровня техники, содержит:

- теплопроизводящую систему, использующую теплоту выхлопных газов, включающую утилизационный контур, в состав которого входят водяной котел-утилизатор, насосная установка для циркуляции нагреваемой воды, трубная обвязка с арматурой;

- энергопроизводящую систему, состоящую из замкнутого контура, оснащенного теплообменным, насосным, емкостным оборудованием и оборудованием для конденсации паров рабочей смеси, запорной и регулирующей арматуры, утилизационной электрогенераторной установки с паротурбинным приводом;

- систему автоматизированного управления и регулирования работы теплопроизводящей и энергопроизводящей систем, но в соответствии с настоящим предполагаемым изобретением:

Рабочей средой в энергопроизводящей системе является низкокипящая углеводородная смесь, например, продукт переработки нефтяного конденсата или нефти.

- теплопроизводящая система установки по предполагаемому изобретению снабжена кожухотрубчатым теплообменным аппаратом для передачи вырабатываемой теплоты из утилизационного контура теплопроизводящей системы установки через трубную обвязку в теплофикационный контур теплопотребителя, причем трубная обвязка оснащена приводной арматурой, обеспечивающей подачу горячей воды из котла-утилизатора как в теплофикационный контур, так и в контур энергопроизводящей системы;

- замкнутый контур энергопроизводящей системы установки содержит трехступенчатую систему испарения низкокипящей углеводородной смеси горячей водой; устройство, например теплообменник - рекуператор, для предварительного подогрева конденсата горячими парами углеводородной смеси, выходящими из паровой турбины, перед подачей их в систему конденсации; систему конденсации, включающую, например, водяной конденсатор паров рабочей среды, причем упомянутый выше теплообменник-рекуператор образует с водяным конденсатором системы конденсации паров рабочей среды единый модуль в составе энергопроизводящей системы, а также устройство для отвода из контура низкокипящей рабочей среды несконденсировавшихся компонентов газообразной углеводородной смеси;

- система управления и регулирования параметров теплоэнергетической установки содержит средства управления и регулирования, например датчики давления, температуры и расхода, включенные в систему управления и регулирования с помощью контроллеров, обеспечивающих эксплуатацию утилизационного контура теплопроизводящей системы в двух режимах - теплофикационном и энергопроизводящем, при этом реализация режимов выполняется, благодаря применению запорной и регулирующей арматуры, установленной на соответствующих трубопроводах, обеспечивающих подачу горячей воды из теплопроизводящей системы в систему испарения рабочей среды паротурбинного модуля и в кожухотрубчатый теплообменник для подогрева воды в теплофикационной сети за счет выработки сигналов, воздействующих на приводы арматуры, вышеуказанными датчиками; кроме того:

- для регулирования давления воды котел-утилизатор может быть оснащен регулятором давления, имеющим газовую и жидкостную полости, причем газовая полость соединена с трубопроводом подачи газа высокого давления, отбираемого от топливного трубопровода, а жидкостная полость соединена с контуром котла-утилизатора, при этом регулятор оснащен указателем уровня, по сигналам которого привод регулятора обеспечивает требуемое давление в газовой полости регулятора давления и, соответственно, в водяном контуре котла- утилизатора;

- система испарения низкокипящей углеводородной смеси выполнена трехступенчатой и включает первую ступень, оснащенную дополнительным подогревателем рабочей среды после теплообменника-рекуператора, вторую ступень, снабженную теплообменником - испарителем с указателем уровня жидкой фазы, а в составе третьей ступени имеется пароперегреватель, обеспечивающий рабочие параметры пара рабочей среды на входе в паротурбинный двигатель утилизационного электрогенератора;

- на выходе из пароперегревателя могут быть установлены датчики давления и температуры пара, сигналы которых обеспечивают регулирование давления и расхода горячей воды в контуре котла-утилизатора;

- для обеспечения надежной работы насосная установка, перекачивающая конденсат из системы конденсации, может быть снабжена устройством для накопления и разгазирования конденсата перед подачей его в теплообменник и регулируемого отвода несконденсировавшихся компонентов газообразной углеводородной смеси.

Существенные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, необходимы и достаточны для решения поставленной технической задачи, состоящей в создании более эффективной, в сравнении с существующим уровнем техники, теплоэнергетической установки на основе ГТД, в которой работающий на воде утилизационный контур теплопроизводящей системы имеет двойное назначение, т.е. способен обеспечить заданную подачу утилизируемой теплоты в теплофикационную сеть, а также эффективную работу энергопроизводящей системы.

Теплопроизводящая система установки снабжена кожухотрубчатым теплообменным аппаратом, подключенным посредством трубной обвязки к теплопроизводящему контуру и обеспечивающим передачу вырабатываемой теплоты из утилизационного контура теплопроизводящей системы установки в теплофикационный контур теплопотребителя, причем трубная обвязка системы снабжена приводной арматурой, обеспечивающей подачу горячей воды из котла-утилизатора как в теплообменник (бойлер) теплофикационной сети, так и в контур энергопроизводящей системы, что может быть обусловлено как сезонными требованиями эксплуатации, так и региональными особенностями размещения теплоэнергетической установки. Такое конструктивное решение теплопроизводящей системы предопределяет ее двойное назначение, то есть обеспечивает подачу утилизированной теплоты в теплофикационную сеть и эффективную работу энергопроизводящей системы, что повышает эффективность теплоэнергетической установки в целом.

Конструктивная особенность установки, состоящая в том, что замкнутый контур ее энергопроизводящей системы содержит многоступенчатую, например трехступенчатую систему испарения низкокипящей углеводородной смеси горячей водой, теплообменник-рекуператор для предварительного подогрева конденсата горячими парами углеводородной смеси, выходящими из паротурбинного привода перед подачей их в систему конденсации, водяной конденсатор паров рабочей среды, образующий с теплообменником-рекуператором единый модуль, который может быть снабжен устройством для накопления и разгазирования сконденсированной рабочей среды и отвода ее несконденсировавшихся компонентов, обеспечивает высокую эффективность подготовки рабочей среды и стабильность ее параметров на входе в паротурбинный двигатель, возможность регулирования параметров рабочей среды с учетом отбора части выработанной теплоты на нужды теплофикации.

Наличие устройства для накопления и разгазирования сконденсированной рабочей среды перед подачей ее в теплообменник-рекуператор и регулируемого отвода несконденсировавшихся компонентов газообразной углеводородной смеси повышает эффективность и надежность работы конденсатной насосной установки, поскольку наличие газа, растворенного в конденсате, ухудшает эксплуатационные характеристики насоса.

Выполнение первой ступени трехступенчатой системы испарения низкокипящей углеводородной смеси в виде дополнительного подогревателя рабочей среды после кожухотрубчатого теплообменника-рекуператора, снабжение второй ступени теплообменником - испарителем с указателем уровня жидкой фазы, а также наличие в третьей ступени системы испарения пароперегревателя, благодаря которому достигаются рабочие параметры пара рабочей среды на входе в паротурбинный привод утилизационного электрогенератора, обеспечивает эффективную работу системы испарения рабочей среды и требуемую глубину регулирования параметров пара перед турбиной с учетом отбора части теплоты на нужды теплофикации.

Конструктивное решение системы управления и регулирования параметров теплоэнергетической установки, характеризующееся тем, что в ее состав входят датчики давления, температуры и расхода, включенные в систему посредством контроллеров и обеспечивающие эксплуатацию утилизационного контура теплопроизводящей системы в двух режимах - теплофикационном и энергопроизводящем, дает возможность эксплуатировать установку в режиме энергопроизводства или когенерационном режиме, когда осуществляется выработка как теплоты, так и электроэнергии.

То, что для регулирования давления воды котел-утилизатор может быть оснащен регулятором давления, имеющим газовую и жидкостную полости, причем газовая полость соединена с трубопроводом подачи газа высокого давления, отбираемого от топливного трубопровода, а жидкостная полость соединена с трубным контуром котла-утилизатора, и регулятор при этом оснащен указателем уровня, по сигналам которого во время включении привода регулятора обеспечивается требуемое давление в газовой полости указанного регулятора давления и, соответственно, в водяном контуре котла-утилизатора, позволяет, при необходимости, изменять давление воды в трубном контуре котла-утилизатора, что целесообразно при изменении температурного режима испарителей рабочей среды в энергопроизводящей системе.

Размещение на выходе из пароперегревателя датчиков давления и температуры пара дает возможность по их сигналам обеспечивать регулирование давления и расхода горячей воды в контуре котла-утилизатора в соответствии с алгоритмом управления установкой при изменении режимов ее эксплуатации, а также регулирование расхода воды в системе испарения и кожухотрубчатом теплообменнике, обеспечивающем подогрев воды в теплофикационной сети.

Конструктивные особенности и работа установки могут быть проиллюстрированы на фиг.1, где представлена принципиальная схема теплоэнергетической установки по предполагаемому изобретению.

Ее основными элементами являются: теплопроизводящая система, включающая газотурбинный модуль 1 и утилизационный контур 2, обеспечивающий подачу тепла как в теплофикационную, так и в энергопроизводящую систему, включающую систему испарения 3 низкокипящей углеводородной смеси, состоящую из подогревателя 4, испарителя 5, пароперегревателя 6; паротурбинный модуль 7, в состав которого входит паровая турбина 8, редуктор 9, который устанавливается в тех случаях, когда частота вращения турбины выше частоты вращения электрогенератора 10.

Утилизационный контур теплопроизводящей системы включает также кожухотрубчатый теплообменник 11 и систему конденсации паров низкокипящей рабочей среды 12, состоящую из сборника конденсата 13, конденсатора 14 и контура охлаждающей воды, оснащенного градирней 15.

Кроме того, установка снабжена насосами: 16 для циркуляции воды в утилизационном контуре, подачи конденсата 17 и подачи охлаждающей воды 18, арматурой с пневмоприводами 19, 20, 21, 22, 23, 24 для управления газовыми и жидкостными потоками в трубных контурах, а также элементами автоматической системы управления 25, 26, 27, обеспечивающими согласование режимов работы паротурбинного модуля, а также теплопроизводящей системы и испарительного контура энергопроизводящей системы установки.

Основным элементом предлагаемой установки является газотурбинный модуль 1, на входе в воздухоприемный тракт которого установлен теплообменник типа «воздух-воздух» 28 для охлаждения импульсного воздуха, отбираемого от компрессора 29 высокого давления газогенератора ГТД.

Подача топливного газа в камеру сгорания 30 газогенератора осуществляется по линии, снабженной трубопроводом для отбора и подачи газа в газовую полость регулятора давления 31, жидкостная полость которого подключена к утилизационному контуру 2. Выхлопные газы после турбины 32 газогенератора и силовой турбины 33, которая через редуктор 34 приводит в действие генератор 35, поступают в выхлопную шахту, имеющую перепускную систему регулирования и расхода выхлопных газов, и в котел-утилизатор 36 для нагрева воды.

В зависимости от требований эксплуатации, горячая вода может циркулировать по двум контурам. При закрытой задвижке 21 и открытой задвижке 22 вода поступает в кожухотрубчатый теплообменник 37, обеспечивающий работу теплофикационной сети. При необходимости работы паротурбинного энергетического модуля (летний режим), вода из котла - утилизатора 36 через открытую задвижку 21 при закрытой задвижке 23 поступает в пароперегреватель 6, испаритель 5 и подогреватель 4 конденсата, а затем при открытом 3-ходовом кране 23 подается насосом 16 в котел-утилизатор 36.

Режимные параметры утилизационного контура 2 по давлению и температуре задаются параметрами теплофикационной сети или паротурбинного модуля 7 и устанавливаются по сигналам датчиков и командам контроллеров системы управления и регулирования 25, 26, 27.

Выходной патрубок паровой турбины 8 подключен к кожухотрубчатому теплообменнику 11 для предварительного подогрева конденсата, который подается на вход этого теплообменника из системы конденсации 12 после разгазирования в сборнике конденсата 13 насосной установкой 17. Сброс несконденсировавшихся газов на свечу из сборника конденсата 13 осуществляется через управляемую задвижку 38.

Настоящее изобретение может быть распространено не только на энергетические установки, но и на компрессорные агрегаты с газотурбинным приводом, работающие в составе компрессорных станций газовой и нефтяной промышленности. В этом случае, вместо генератора устанавливается турбокомпрессор для транспорта углеводородного газа.

1. Теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя (ГТД), предназначенного для привода основного генератора или турбокомпрессора и получения горячих выхлопных газов, содержащая теплопроизводящую систему, использующую теплоту выхлопных газов, включающую утилизационный контур, в состав которого входят водяной котел-утилизатор, насосная установка для циркуляции нагреваемой воды, трубная обвязка с арматурой, энергопроизводящую систему, состоящую из замкнутого контура, оснащенного теплообменным, насосным, емкостным оборудованием и оборудованием для конденсации паров рабочей среды, запорной и регулирующей арматуры, утилизационной электрогенераторной установки с паротурбинным приводом, систему автоматизированного управления и регулирования работы теплопроизводящей и энергопроизводящей систем, отличающаяся тем, что теплопроизводящая система установки оснащена кожухотрубчатым теплообменником, обеспечивающим передачу вырабатываемой теплоты из утилизационного контура теплопроизводящей системы установки в теплофикационный контур теплопотребителя, а трубная обвязка оснащена приводной арматурой, обеспечивающей подачу горячей воды из котла-утилизатора как в теплофикационную сеть, так и в контур энергопроизводящей системы, замкнутый контур энергопроизводящей системы установки содержит многоступенчатую систему испарения низкокипящей углеводородной смеси горячей водой, устройство для предварительного подогрева конденсата горячими парами углеводородной смеси, выходящими из паротурбинного привода перед подачей их в систему конденсации, систему конденсации паров рабочей среды, а также устройство для отвода из контура низкокипящей рабочей среды несконденсировавшихся компонентов газообразной углеводородной смеси, система управления и регулирования параметров теплоэнергетической установки содержит средства, обеспечивающие эксплуатацию утилизационного контура теплопроизводящей системы в двух режимах: теплофикационном и энергопроизводящем.

2. Теплоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что замкнутый контур энергопроизводящей системы содержит теплообменник-рекуператор для предварительного подогрева конденсата горячими парами углеводородной смеси, выходящими из паротурбинного привода, причем данный теплообменник-рекуператор образует с водяным конденсатором системы конденсации паров рабочей среды единый модуль в составе энергопроизводящей системы.

3. Теплоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что для регулирования давления воды котел-утилизатор оснащен регулятором давления, имеющим газовую и жидкостную полости, при этом газовая полость соединена с трубопроводом подачи газа высокого давления, отбираемого от топливного трубопровода, а жидкостная полость соединена с котлом-утилизатором, при этом регулятор оснащен указателем уровня, по сигналам которого привод регулятора обеспечивает требуемое давление в газовой полости регулятора давления и соответственно в водяном контуре котла-утилизатора.

4. Теплоэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что система испарения низкокипящей углеводородной смеси выполнена трехступенчатой, при этом первая ступень оснащена подогревателем рабочей среды, установленным после теплообменника-рекуператора, вторая ступень снабжена теплообменником-испарителем с указателем уровня жидкой фазы, а в составе третьей ступени имеется пароперегреватель, обеспечивающий рабочие параметры пара рабочей среды на входе в паротурбинный привод утилизационной электрогенераторной установки.

5. Теплоэнергетическая установка по п.4, отличающаяся тем, что на выходе из пароперегревателя установлены датчики давления и температуры пара, сигналы которых обеспечивают регулирование давления и расхода горячей воды в контуре котла-утилизатора.

6. Теплоэнергетическая установка по п.5, отличающаяся тем, что для обеспечения надежной работы насосная установка, перекачивающая конденсат из системы конденсации, снабжена устройствами для накопления и разгазирования конденсата перед подачей его в теплообменник, а также управляемого отвода несконденсировавшихся компонентов газообразной углеводородной смеси.