RU2738792C1

RU2738792C1 - Combined cycle power plant

Info

Publication number: RU2738792C1
Application number: RU2019145663A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Александрович Кудинов; Светлана Камиловна Зиганшина; Юлия Эрнестовна Демина
Priority date: 2019-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2020-12-16

Abstract

FIELD: power engineering.SUBSTANCE: invention relates to power engineering and can be used at thermal power plants. Disclosed is a power plant steam-gas plant comprising a gas turbine plant consisting of a gas turbine, a turbo compressor, a combustion chamber and an electric generator, waste heat boiler, steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, a heat exchanger-heat recovery unit for exhaust combustion products, equipped with a condensate collector with a hydraulic lock, recirculating water supply system includes circulating pump, pressure pipeline to condenser of steam turbine and heat exchanger-heat recovery unit for exhaust combustion products and drain pressure pipeline to cooling tower consisting of exhaust tower and water collection basin. To increase reliability and economy of operation, steam-gas plant of power plant is additionally equipped with tank-reservoir for collection of desalinated water - condensate of water vapours, evolved in waste heat exchanger from natural gas combustion exhaust gases in process of their cooling below dew point, to which is connected pump, pressure side connected on the pressure side to combustion chamber of gas turbine plant for supply to its active zone of desalinated water combustion, wherein for desalinated water spraying in combustion chamber of gas turbine plant, pressure generated by pump in water line upstream of combustion chamber must exceed pressure of compressed air compressed in turbo compressor by 0.4–0.5 MPa. In addition, in order to preserve the desalinated water purity heat exchanger-heat exchanger of exhaust combustion products, condensate collector with hydraulic lock, tank-reservoir for collection of desalinated water and water supply line connecting pump discharge pipe to combustion chamber of gas turbine plant are made of stainless steel.EFFECT: technical result is higher reliability and efficiency of combined-cycle power plant.1 cl, 1 dwg

Description

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

Известен аналог - парогазовая установка электростанции (см. патент РФ №2373403, Б.И. 32, 2009), содержащая газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник-утилизатор теплоты уходящих продуктов сгорания, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины и теплообменнику-утилизатору теплоты уходящих продуктов сгорания и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна. Данный аналог принят за прототип.A known analogue is a steam-gas plant of a power plant (see RF patent No. 2373403, BI 32, 2009), containing a gas turbine plant consisting of a gas turbine, a turbocompressor, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, a heat exchanger-utilizer of the heat of outgoing combustion products, equipped with a condensate trap with a hydraulic seal, a recirculating water supply system, including a circulation pump, a pressure line to the steam turbine condenser and a heat exchanger-waste heat exchanger for the heat of the outgoing combustion products and a discharge pressure line to the cooling tower consisting of an exhaust tower and a drainage basin. This analogue is taken as a prototype.

К причине, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известной парогазовой установки электростанции, принятой за прототип, относится то, что известная парогазовая установка электростанции обладает пониженной надежностью и экономичностью, так как в турбокомпрессор газотурбинной установки подается насыщенный водяными парами в вытяжной башне градирне и содержащий капельную влагу (капельки воды) атмосферный воздух. Капельки воды попадают в цикловой воздух вследствие ее механического уноса в процессе тепломассообмена при противоточном движении теплоносителей (циркуляционной воды и воздуха) в вытяжной башне градирни. Циркуляционная вода содержит механические примеси в виде частиц песка, глины и продуктов разложения животных и растительных организмов, а также химические соединения металлов. В процессе работы газотурбинной установки цикловой воздух в турбокомпрессоре сжимается и нагревается, при этом капельки воды вследствие нагрева будут испаряться, а содержащиеся в них механические примеси и химические соединения металлов откладываться на лопатках турбокомпрессора, что снижает надежность турбокомпрессора. Механические примеси и химические соединения металлов из циклового воздуха будут откладываться также на стенках камеры сгорания и на лопатках газовой турбины, что снизит их надежность. Кроме того, загрязнение элементов газотурбинной установки приведет к снижению ее КПД и экономичности работы вследствие уменьшения внутреннего относительного КПД турбокомпрессора и газовой турбины. Таким образом, подача в турбокомпрессор газотурбинной установки атмосферного воздуха, содержащего капельки загрязненной циркуляционной воды, значительно снижает надежность и экономичность работы парогазовой установки электростанции.The reason that prevents the achievement of the technical result indicated below when using a known steam-gas plant of a power plant, taken as a prototype, refers to the fact that the known steam-gas plant of a power plant has reduced reliability and efficiency, since a cooling tower saturated with water vapor in the exhaust tower is supplied to the turbocompressor of a gas turbine plant and containing dripping moisture (water droplets) atmospheric air. Water droplets enter the cycle air due to its mechanical entrainment in the process of heat and mass transfer during the counter-current movement of coolants (circulating water and air) in the exhaust tower of the cooling tower. The circulating water contains mechanical impurities in the form of particles of sand, clay and decomposition products of animals and plant organisms, as well as chemical compounds of metals. During the operation of the gas turbine unit, the cycle air in the turbocharger is compressed and heated, while the water droplets will evaporate due to heating, and the mechanical impurities and chemical compounds of metals contained in them will be deposited on the blades of the turbocharger, which reduces the reliability of the turbocharger. Mechanical impurities and chemical compounds of metals from the cycle air will also be deposited on the walls of the combustion chamber and on the blades of the gas turbine, which will reduce their reliability. In addition, contamination of the elements of the gas turbine plant will lead to a decrease in its efficiency and economic efficiency due to a decrease in the internal relative efficiency of the turbocharger and gas turbine. Thus, the supply of atmospheric air containing droplets of contaminated circulating water to the turbocompressor of a gas turbine plant significantly reduces the reliability and efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Сущность изобретения заключается в следующем.The essence of the invention is as follows.

Для повышения надежности и экономичности работы парогазовой установки электростанции предлагается дополнительно установить выполненный из нержавеющей стали бак-резервуар для сбора обессоленной воды - конденсата водяных паров, выделяющегося из уходящих продуктов сгорания природного газа при охлаждении их ниже точки росы, к которому подключить насос и присоединить его по нагнетательной стороне водопроводом из нержавеющей стали к камере сгорания газотурбинной установки. В этом случае в активную зону горения камеры сгорания газотурбинной установки будет подаваться обессоленная вода, выделяющаяся из продуктов сгорания природного газа в процессе их охлаждения ниже точки росы, что повышает надежность камеры сгорания и газовой турбины. В зоне горения обессоленная вода (капельная влага) будет испаряться. Наличие в рабочем теле водяного пара, имеющего лучшие теплофизические свойства по сравнению с чистыми продуктами сгорания, позволяет увеличить тепловую экономичность и удельную мощность газовой турбины за счет повышения располагаемого теплоперепада вследствие улучшения теплофизических свойств рабочего тела. При впрыске воды в камеру сгорания замещается часть воздуха, предназначенного для ее охлаждения, и снижается работа сжатия в турбокомпрессоре. Кроме того, улучшение теплофизических свойств рабочего тела приводит к увеличению паропроизводительности котла-утилизатора, что дополнительно повышает экономичность парогазовой установки электростанции. При этом для сохранения чистоты обессоленной воды теплообменник-утилизатор теплоты уходящих продуктов сгорания, конденсатосборник с гидрозатвором, бак-резервуар для сбора обессоленной воды и водопровод, соединяющий нагнетательный патрубок насоса с камерой сгорания газотурбинной установки, необходимо выполнять из нержавеющей стали.To increase the reliability and efficiency of the steam-gas plant of the power plant, it is proposed to additionally install a tank-tank made of stainless steel for collecting demineralized water - condensate of water vapor released from the exhaust products of natural gas combustion when they are cooled below the dew point, to which a pump should be connected and connected to the discharge side with a stainless steel water pipe to the combustion chamber of the gas turbine unit. In this case, demineralized water released from the combustion products of natural gas during their cooling below the dew point will be supplied to the active combustion zone of the combustion chamber of the gas turbine unit, which increases the reliability of the combustion chamber and the gas turbine. In the combustion zone, demineralized water (droplet moisture) will evaporate. The presence of water vapor in the working medium, which has better thermophysical properties in comparison with pure combustion products, makes it possible to increase the thermal efficiency and specific power of the gas turbine by increasing the available heat drop due to the improvement of the thermophysical properties of the working medium. When water is injected into the combustion chamber, part of the air intended for cooling it is replaced, and the compression work in the turbocharger is reduced. In addition, the improvement of the thermophysical properties of the working fluid leads to an increase in the steam output of the waste heat boiler, which additionally increases the efficiency of the combined cycle plant of the power plant. At the same time, in order to preserve the purity of the demineralized water, the heat exchanger-utilizer of the heat of the outgoing combustion products, the condensate collector with a water seal, the tank-reservoir for collecting the demineralized water and the water pipe connecting the pump discharge pipe with the combustion chamber of the gas turbine unit must be made of stainless steel.

Технический результат - повышение надежности и экономичности работы парогазовой установки электростанции.The technical result is to increase the reliability and efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известная парогазовая установка электростанции содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатор, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменник-утилизатор теплоты уходящих продуктов сгорания, снабженный конденсатосборником с гидрозатвором, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос, напорный трубопровод к конденсатору паровой турбины и теплообменнику-утилизатору теплоты уходящих продуктов сгорания и сливной напорный трубопровод к градирне, состоящей из вытяжной башни и водосборного бассейна, особенность парогазовой установки электростанции заключается в том, что парогазовая установка электростанции дополнительно снабжена баком-резервуаром для сбора обессоленной воды - конденсата водяных паров, выделяющегося в теплообменнике-утилизаторе из уходящих продуктов сгорания природного газа в процессе их охлаждения ниже точки росы, к которому подключен насос, присоединенный по нагнетательной стороне водопроводом к камере сгорания газотурбинной установки для подачи в ее активную зону горения обессоленной воды, при этом для осуществления распыления обессоленной воды в камере сгорания газотурбинной установки давление, создаваемое насосом в водопроводе перед камерой сгорания, должно превышать давление сжатого в турбокомпрессоре циклового воздуха на 0,4-0,5 МПа, кроме того для сохранения чистоты обессоленной воды теплообменник-утилизатор теплоты уходящих продуктов сгорания, конденсатосборник с гидрозатвором, бак-резервуар для сбора обессоленной воды и водопровод, соединяющий нагнетательный патрубок насоса с камерой сгорания газотурбинной установки, выполняются из нержавеющей стали.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved in that the known steam-gas plant of the power plant contains a gas turbine unit consisting of a gas turbine, a turbocompressor, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine unit consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, heat exchanger-heat exchanger for the heat of outgoing combustion products, equipped with a condensate trap with a water seal, a recirculating water supply system, including a circulation pump, a pressure pipe to the steam turbine condenser and a heat exchanger-utilizer of the heat of outgoing combustion products and a drain pressure pipe to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a catchment basin, a feature of the steam-gas plant of the power plant is that the steam-gas plant of the power plant is additionally equipped with a tank-reservoir for collecting demineralized water - condensate of water vapor released in tons a heat exchanger-utilizer from the outgoing combustion products of natural gas during their cooling below the dew point, to which a pump is connected, connected on the discharge side by a water pipe to the combustion chamber of a gas turbine unit to supply demineralized water to its active combustion zone, while spraying demineralized water into In the combustion chamber of a gas turbine unit, the pressure created by the pump in the water supply system in front of the combustion chamber must exceed the pressure of the cycle air compressed in the turbocompressor by 0.4-0.5 MPa, in addition, to maintain the purity of the demineralized water, the heat exchanger-heat exchanger for the heat of the outgoing combustion products, a condensate trap with a water seal , a tank-reservoir for collecting demineralized water and a water pipeline connecting the pump discharge pipe with the combustion chamber of the gas turbine unit are made of stainless steel.

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

Парогазовая установка электростанции содержит газотурбинную установку, состоящую из газовой турбины 1, турбокомпрессора 2, камеры сгорания 3 и электрогенератора 4, котел-утилизатор 5, паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины 6 с конденсатором 7, электрического генератора 8 и питательного насоса 9, теплообменник-утилизатор 10 теплоты уходящих продуктов сгорания, снабженный конденсатосборником 11 и гидрозатвором 12, систему оборотного водоснабжения, включающую циркуляционный насос 13, напорный трубопровод 14 к конденсатору 7 паровой турбины 6, напорный трубопровод 15 к теплообменнику-утилизатору 10 теплоты уходящих продуктов сгорания природного газа и сливной напорный трубопровод 16 к градирне, состоящей из вытяжной башни 17 и водосборного бассейна 18, выполненный из нержавеющей стали бак-резервуар 19, насос 20 и водопровод 21 из нержавеющей стали.The combined cycle plant of the power plant contains a gas turbine unit consisting of a gas turbine 1, a turbocompressor 2, a combustion chamber 3 and an electric generator 4, a waste heat boiler 5, a steam turbine unit consisting of a steam turbine 6 with a condenser 7, an electric generator 8 and a feed pump 9, a heat exchanger waste heat exchanger 10 of the heat of exhaust combustion products, equipped with a condensate collector 11 and a hydraulic seal 12, a recirculating water supply system including a circulation pump 13, a pressure pipe 14 to a condenser 7 of a steam turbine 6, a pressure pipe 15 to a heat exchanger-waste heat exchanger 10 of a heat exchanger-waste heat exchanger 10 of a heat exchanger-heat exchanger 10 of the heat of the exhaust gas pipeline 16 to the cooling tower, consisting of a draft tower 17 and a catchment basin 18, made of stainless steel tank-reservoir 19, pump 20 and water supply 21 of stainless steel.

Парогазовая установка электростанции работает следующим образом.The combined cycle power plant operates as follows.

В камеру сгорания 3 подаются топливо - природный газ и сжатый в турбокомпрессоре 2 атмосферный воздух для осуществления процесса горения топлива. Одновременно в камеру сгорания 3 из бака-резервуара 19, выполненного из нержавеющей стали, насосом 20 по водопроводу 21 из нержавеющей стали подается обессоленная вода. При этом для осуществления распыления обессоленной воды в камере сгорания газотурбинной установки давление, создаваемое насосом в водопроводе перед камерой сгорания, должно превышать давление сжатого в турбокомпрессоре циклового воздуха на 0,4-0,5 МПа. В камере сгорания 3 осуществляется процесс горения природного газа с образованием продуктов сгорания и испарения обессоленной воды. Продукты сгорания природного газа и водяной пар перемешиваются, образовавшаяся газопаровая смесь поступает в газовую турбину 1. В газовой турбине 1 совершается работа газотурбинного цикла, которая затрачивается на привод турбокомпрессора 2 и электрогенератора 4. При этом работа, совершаемая газопаровой смесью в газовой турбине 1, будет больше по сравнению со случаем, когда рабочим телом являются продукты сгорания, за счет повышения располагаемого теплоперепада вследствие улучшения теплофизических свойств рабочего тела. Отработавшая в газовой турбине 1 газопаровая смесь поступает в котел-утилизатор 5, где генерируется пар высоких параметров, который направляется в паровую турбину 6, а уходящие продукты сгорания из котла-утилизатора 5 подаются в теплообменник-утилизатор 10 теплоты уходящих продуктов сгорания, где охлаждаются ниже точки росы за счет подачи циркуляционной воды по напорному трубопроводу 15 циркуляционным насосом 13 из водосборного бассейна 18 градирни и отводятся в атмосферу.The combustion chamber 3 is supplied with fuel - natural gas and atmospheric air compressed in the turbocompressor 2 for the fuel combustion process. At the same time, demineralized water is supplied to the combustion chamber 3 from the stainless steel tank 19, made of stainless steel, by the pump 20 through the stainless steel pipe 21. At the same time, in order to spray demineralized water in the combustion chamber of a gas turbine unit, the pressure created by the pump in the water supply in front of the combustion chamber must exceed the pressure of the cycle air compressed in the turbocompressor by 0.4-0.5 MPa. In the combustion chamber 3, the combustion of natural gas is carried out with the formation of combustion products and evaporation of demineralized water. The combustion products of natural gas and water vapor are mixed, the resulting gas-vapor mixture enters the gas turbine 1. In the gas turbine 1, the work of the gas turbine cycle is performed, which is spent on driving the turbocompressor 2 and the electric generator 4. In this case, the work performed by the gas-vapor mixture in the gas turbine 1 will be more in comparison with the case when the working fluid is combustion products, due to an increase in the available heat drop due to the improvement of the thermophysical properties of the working fluid. The gas-steam mixture spent in the gas turbine 1 enters the waste heat boiler 5, where high-parameter steam is generated, which is sent to the steam turbine 6, and the exhaust products from the waste heat boiler 5 are fed to the waste heat exchanger 10 of the heat of the exhaust combustion products, where they are cooled below dew points due to the supply of circulation water through the pressure pipeline 15 by the circulation pump 13 from the drainage basin 18 of the cooling tower and are discharged into the atmosphere.

В паровой турбине 6 в процессе расширения пара совершается полезная работа паротурбинного цикла, затрачиваемая па привод электрического генератора 8. Отработавший в паровой турбине пар поступает в конденсатор 7, в котором конденсируется за счет охлаждения циркуляционной водой, подаваемой по напорному трубопроводу 14 циркуляционным насосом 13 из водосборного бассейна 18 градирни. Конденсат отработавшего в турбине пара из конденсатора 7 питательным насосом 9 подается в котел-утилизатор 5.In the steam turbine 6, in the process of steam expansion, the useful work of the steam turbine cycle is performed, which is expended on the drive of the electric generator 8. The steam spent in the steam turbine enters the condenser 7, in which it condenses due to cooling by circulating water supplied through the pressure pipeline 14 by the circulation pump 13 from the catchment basin 18 cooling towers. The condensate of the steam spent in the turbine from the condenser 7 by the feed pump 9 is fed to the waste heat boiler 5.

В теплообменнике-утилизаторе 10 уходящие продукты сгорания природного газа охлаждаются до температуры ниже точки росы циркуляционной водой, подаваемой циркуляционным насосом 13 по напорному трубопроводу 15. При этом водяной пар, содержащийся в уходящих продуктах сгорания в перегретом состоянии, конденсируется, образуется конденсат (обессоленная вода). Обессоленная вода, выделяющаяся из продуктов сгорания природного газа в процессе их охлаждения ниже точки росы, стекает в конденсатосборник 11 и через гидрозатвор 12 поступает в бак-резервуар 19, который выполняется из нержавеющей стали для сохранения чистоты обессоленной воды. Из бака-резервуара 19 обессоленная вода насосом 20 по водопроводу 21 из нержавеющей стали подается в камеру сгорания газотурбинной установки. Уходящие продукты сгорания (газы) после теплообменника-утилизатора 10 через дымовую трубу (не показана) отводятся в атмосферу.In the waste heat exchanger 10, the exhaust products of natural gas combustion are cooled to a temperature below the dew point by circulating water supplied by the circulation pump 13 through the pressure pipe 15. In this case, the water vapor contained in the exhaust products of combustion in a superheated state condenses, and condensate is formed (demineralized water) ... The demineralized water released from the combustion products of natural gas during their cooling below the dew point flows into the condensate collector 11 and through the hydraulic seal 12 enters the tank 19, which is made of stainless steel to maintain the purity of the demineralized water. From the tank-reservoir 19, demineralized water is supplied by a pump 20 through a stainless steel pipe 21 to the combustion chamber of a gas turbine unit. The waste products of combustion (gases) after the waste heat exchanger 10 are discharged into the atmosphere through a chimney (not shown).

Подогретая в конденсаторе 7 и в теплообменнике-утилизаторе 10 теплоты уходящих продуктов сгорания циркуляционная вода по сливному напорному трубопроводу 16 подается в вытяжную башню 17 градирни, где охлаждается атмосферным воздухом в процессе тепло- и массообмена при непосредственном контакте с ним и стекает в водосборный бассейн 18.Heated in the condenser 7 and in the heat exchanger-utilizer 10 of the heat of the outgoing combustion products, the circulating water through the discharge pressure pipeline 16 is supplied to the exhaust tower 17 of the cooling tower, where it is cooled by atmospheric air in the process of heat and mass exchange in direct contact with it and flows into the drainage basin 18.

Таким образом, снабжение парогазовой установки электростанции выполненным из нержавеющей стали баком-резервуаром для сбора обессоленной воды, выделяющейся из продуктов сгорания природного газа в процессе их охлаждения ниже точки росы в теплообменнике-утилизаторе, и насосом, присоединенным по нагнетательной стороне водопроводом из нержавеющей стали с камерой сгорания газотурбинной установки для подачи в ее активную зону горения обессоленной воды, позволяет повысить надежность и экономичность работы парогазовой установки электростанции.Thus, the supply of the steam-gas plant of the power plant with a stainless steel tank-reservoir for collecting demineralized water released from the combustion products of natural gas during their cooling below the dew point in the heat exchanger-heat exchanger, and a pump connected on the discharge side with a stainless steel water pipe with a chamber combustion of a gas turbine plant for supplying demineralized water to its active combustion zone, allows to increase the reliability and efficiency of the combined cycle plant of the power plant.

Claims

Combined-cycle plant of a power plant, containing a gas turbine plant, consisting of a gas turbine, a turbocompressor, a combustion chamber and an electric generator, a waste heat boiler, a steam turbine plant consisting of a steam turbine with a condenser, an electric generator and a feed pump, a heat exchanger for heat recovery of exhaust combustion products, equipped with a condensate collector with a hydraulic seal, a recirculating water supply system, including a circulation pump, a pressure line to the steam turbine condenser and a heat exchanger-utilizer of the heat of the exhaust combustion products and a discharge pressure line to the cooling tower, consisting of an exhaust tower and a catchment basin, characterized in that the combined cycle plant of the power plant is additionally equipped with a tank - a reservoir for collecting demineralized water - condensate of water vapor released in the heat exchanger-utilizer from the exhaust products of natural gas combustion during their cooling below the dew point to which the pump is connected c, connected on the discharge side by a water pipe to the combustion chamber of a gas turbine plant for supplying demineralized water to its active combustion zone, while in order to spray demineralized water in the combustion chamber of a gas turbine plant, the pressure created by the pump in the water supply in front of the combustion chamber must exceed the pressure compressed in the turbocharger cycle air by 0.4-0.5 MPa, in addition, to maintain the purity of demineralized water, a heat exchanger-utilizer of the heat of the exhaust combustion products, a condensate collector with a hydraulic seal, a tank-reservoir for collecting demineralized water and a water pipe connecting the discharge pipe of the pump with the combustion chamber of a gas turbine unit are made of stainless steel.