ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2114316

СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА СТАНЦИЯХ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Имя изобретателя: Ванин Валерий Александрович (UA); Дыбин Евгений Павлович (UA); Клименко Виктор Николаевич (UA); Клименко Юрий Георгиевич (UA); Мазур Александр Иустинович (UA); Сабашук Петр Павлович (UA); Эпик Элеонора Яковлевна (UA)
Имя патентообладателя: Ванин Валерий Александрович (UA); Дыбин Евгений Павлович (UA); Клименко Виктор Николаевич (UA); Клименко Юрий Георгиевич (UA); Мазур Александр Иустинович (UA); Сабашук Петр Павлович (UA); Эпик Элеонора Яковлевна (UA)
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1996.04.02

Использование: в теплотехнике, в частности в системах централизованного и децентрализованного теплоснабжения. Сущность изобретения: поток выхлопных газов за газотурбинной установкой (ГТУ) разделяют на три-пять изолированных друг от друга потока, подогревают их путем сжигания природного газа, регулируя частичную тепловую нагрузку котла количеством подогретых потоков, и направляют смесь этих потоков в водогрейный котел, при этом расход природного газа в ГТУ выдерживают постоянным и не превышающим 25% расхода природного газа, сжигаемого в водогрейном котле при номинальной нагрузке; при минимальной тепловой нагрузке подачу природного газа в выхлопные газы прекращают. Устройство содержит газоход, разделенный продольными стенками на несколько отдельных предтопков с входными регулировочными заслонками, при этом последовательно к предтопкам примыкает секционная камера смешения, наружные стенки которой образованы тепловоспринимающими трубами. Такое осуществление способа увеличивает его экономичность на частичных нагрузках.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к системам централизованного и децентрализованного теплоснабжения (муниципальная энергетика), в частности к процессам комбинированной выработки тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, в котельных нефтеперерабатывающих заводов, крупных промышленных предприятий и бытовых комплексов.

Известен способ работы электротеплостанции [1], включающий сжигание топлива в цилиндрах дизеля и в топке котла-утилизатора, куда подаются выхлопные газы дизеля, и получение электрической энергии от электрогенератора, приводимого во вращение дизелем, и тепловой энергии от котла-утилизатора, причем количество сжигаемого в котле-утилизаторе топлива регулируют в диапазонах относительных электрической и тепловой нагрузок 0,2 - 1,0 и 0,4 - 1,0 соответственно. Минимальную тепловую нагрузку котла-утилизатора обеспечивают путем применения в магистрали выхлопных газов обводного трубопровода с размещенным на входе органом перекрытия его проходного сечения и сбросом избыточного количества выхлопных газов в атмосферу, минуя котел-утилизатор.

Недостатками этого способа работы электротеплостанции на частичных режимах являются узкий диапазон изменения относительной тепловой нагрузки (всего в 2,5 раза) и низкая экономичность установки в том диапазоне частичных нагрузок, в котором открыт регулирующий орган обводного трубопровода, поскольку увеличиваются потери тепла с уходящими по этому трубопроводу в атмосферу выхлопными газами.

Известен способ регулирования количества генерируемого пара, в котором выхлопные газы газовой турбины направляют в котел-утилизатор в качестве окислителя для сжигания в котле топлива [2].

Поскольку, как и в предыдущем случае, регулированию подвергают расход топлива в котле и расход выхлопных газов газовой турбины, отводимых в атмосферу, минуя котел-утилизатор, то перечисленные выше недостатки характерны и для данного способа работы теплостанции на частичных тепловых нагрузках.

Известна комбинированная энергоустановка [3], содержащая силовую газовую турбину и систему использования тепла ее выхлопных газов. Эта система имеет устройство изменения относительных расходов выхлопных газов, подводимых параллельно по двум газоходам к входам низкотемпературного и высокотемпературного агрегатов, а для повышения в последнем уровня температуры подводящий газоход снабжен камерой сгорания. В этой энергоустановке низкотемпературным агрегатом является калорифер, греющий воздух для отопления помещений. Относительно высокотемпературный агрегат обеспечивает теплом различные технологические процессы.

Недостатками известного устройства является низкий коэффициент использования тепла топлива, обусловленный тем, что, во-первых, КПД калорифера и КПД преобразования тепла в технологических процессах значительно ниже, чем КПД водогрейных котлов, составляющий 90 - 92%; во-вторых, камера сгорания для подогрева потока работает с коэффициентом избытка воздуха порядка трех, что увеличивает потери тепла с уходящими из энергоустановки газами.

Наиболее близкими к изобретению являются способ и устройство, описанные в статье И. Р. Степанова "Котлы с предвключенными газотурбинными установками" [4]. Способ комбинированного получения тепловой и электрической энергий включает сжигание постоянных количеств природного газа как в газотурбинной установке, так и в топке водогрейного котла, причем в топке устанавливают такой расход природного газа, который обеспечит максимально возможную тепловую мощность котла, а в качестве окислителя используют выхлопные газы газотурбинной установки.

Недостаток этого способа заключается в том, что высокоэкономичная выработка тепловой и электрической энергии возможна только в базовом режиме эксплуатации, при котором тепловая нагрузка водогрейного котла является максимальной. В то же время, основное требование к станциям теплоснабжения состоит в удовлетворении условия всесезонной экономичной выработки тепловой энергии, когда максимальная тепловая нагрузка (зимний отопительный сезон) отличается от минимальной (летний сезон) примерно в пять-семь раз.

Указанный способ не обеспечивает высокий коэффициент использования тепла топлива на частичных нагрузках по тепловой мощности и, следовательно, приводит к увеличению среднегодового расхода топлива, поскольку не предусмотрено специальных операций для обеспечения эффективного процесса сжигания в широком интервале изменения коэффициента избытка воздуха, который вызывается условием постоянства расхода выхлопных газов ГТУ при комбинированной выработке энергий.

В результате при переходе на частичные нагрузки за счет уменьшения количества топлива, сжигаемого в топке котла, не обеспечивается требуемая температура в зоне горения, неизбежными являются неустойчивость горения факела, срыв пламени и большой химический недожег топлива, т.е. низкая экономичность работы установки на частичных тепловых нагрузках.

Устройство для реализации описанного способа комбинированной выработки тепловой и электрической энергий включает газотурбинную установку (ГТУ), электрогенератор, приводимый во вращение ГТУ, водогрейный котел с топкой, оснащенной блоком горелок, и газоход, соединяющий выхлопную камеру ГТУ с блоком горелок водогрейного котла.

Основным недостатком этого устройства является применение обычных турбулентных горелок, способных эффективно и устойчиво сжигать топливо в весьма узком диапазоне коэффициентов избытка воздуха (1,15 - 2,5). В конструкцию горелок заложен пропорциональный принцип регулирования: количество воздуха для сжигания природного газа должно уменьшаться по мере снижения расхода топлива; при комбинированной выработке энергий, как указывалось выше, регулирующий орган по каналу окислителя отключен, так как расход выхлопных газов ГТУ постоянен. Частичные тепловые мощности требуют сжигания топлива в котле в диапазоне расходов 0 - 100%. Используемые горелки не обеспечивают устойчивого факела и горения с высоким КПД, вследствие чего известная установка не может обеспечить комбинированное получение теплоты и электричества на частичных (в соответствии с сезонным графиком) нагрузках с высоким коэффициентом использования тепла топлива. Кроме того, снижается коэффициент использования оборудования, так как для удовлетворения частичных тепловых нагрузок (например, в летний сезон) необходимо просто отключать часть работающих установок станции теплоснабжения.

Задача изобретения - создание способа комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, в котором путем разделения потока выхлопных газов за ГТУ на несколько изолированных друг от друга потоков с возможностью регулирования расхода в каждом из них, подачи природного газа в число потоков, определяемое величиной частичной тепловой нагрузки котла, сжигания природного газа в изолированных потоках с оптимальным коэффициентом избытка воздуха 1,05 - 1,5 при постоянном расходе природного газа, сжигаемого в ГТУ, последующего смешения всех потоков и направления смешанного потока в топочный объем водогрейного котла, обеспечивается повышение коэффициента использования тепла топлива и за счет этого снижается расход природного газа на получение тепловой и электрической энергии на частичных нагрузках по тепловой мощности.

В основу изобретения поставлена задача создания устройства для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, в котором путем последовательного размещения в газоходе трех-пяти предтопков с регулировочными заслонками и секционной камеры смешения газовых потоков, подводящих коллекторов природного газа, форсуночных коллекторов с системой отверстий, теплоаккумулирующих плит с системой щелевых сопел и запальных свеч и последующего сочленения выхода газохода с подом топки водогрейного котла обеспечивается повышение коэффициента использования тепла топлива на частичных нагрузках по тепловой мощности и за счет этого снижается расход топлива, уменьшается срок окупаемости оборудования и увеличивается коэффициент его использования.

Задача решается тем, что в способе комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, включающем сжигание природного газа в газотурбинной установке, формирование потока выхлопных газов за ГТУ, сжигание в них природного газа и подачу продуктов сгорания в водогрейный котел, согласно изобретению поток выхлопных газов за газотурбинной установкой разделяют на три-пять потоков, подогревают их путем сжигания природного газа с оптимальным коэффициентом избытка воздуха (1,05 - 1,5) и регулируют частичную тепловую нагрузку котла количеством подогретых потоков, а расход природного газа, сжигаемого в газотурбинной установке, выдерживают постоянным и не превышающим 25% расхода природного газа, сжигаемого в водогрейном котле при номинальной нагрузке, затем все потоки смешивают и направляют в водогрейный котел. При минимальной тепловой нагрузке водогрейного котла подачу природного газа в выхлопные газы газотурбинной установки прекращают.

Задача решается и тем, что в устройстве для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, содержащем ГТУ, электрический генератор, подключенный к валу ГТУ, водогрейный котел с топочным объемом и газоход, соединяющий выхлопную камеру ГТУ с топочным объемом водогрейного котла, согласно изобретению газоход дополнительно снабжен на входе рядом предтопков, расположенных по его поперечному сечению, и камерой смешения газовых потоков, расположенной на его выходе, при этом каждый из предтопков содержит входную регулировочную заслонку и последовательно установленные за ней подводящий коллектор природного газа, форсуночный коллектор, теплоаккумулирующую плиту с системой щелевых отверстий и запальную свечу, а камера смешения выполнена секционной, причем продольные стенки секций образованы разделительными перегородками предтопков и на выходе каждой секции под углом 30 - 45o к продольной оси газохода установлены стенки с поперечными щелями, причем щели одной стенки смещены на полшага относительно щелей другой, а наружные стенки камеры смешения образованы вертикальными тепловоспринимающими трубами, проходящими через центральное окно пода водогрейного котла и соединенными с тепловоспринимающими трубами последнего.

Известно, что в процессе сгорания топлива в ГТУ содержание окислителя (кислорода) уменьшается от 23,2% на входе в ГТУ до 16% в потоке ее выхлопных газов, а это существенно ухудшает зажигание и горение подаваемого в них природного газа (Дриггс И., Ланкастер О. Авиационные газовые турбины.- М.: Оборонгиз, 1957, с. 181 - 197). В то же время, сущность эффективной работы комбинированной теплоэлектрической установки на частичных нагрузках по тепловой мощности заключается в обеспечении надежных и экономичных процессов зажигания и горения природного газа в потоке выхлопных газов ГТУ. Работа ГТУ с постоянной электрической нагрузкой обусловливает постоянный расход ее выхлопных газов, направляемых в котел. Принципиально возможно организовать эффективное горение в них топлива при номинальной тепловой нагрузке котла, однако при переходе на частичные тепловые нагрузки, когда расход топлива необходимо уменьшить в несколько раз, большой теплоотвод в соседние неподогретые объемы выхлопных газов снизит температуру очага горения до такой степени, что сделает невозможным устойчивое горение, а после срыва пламени повторное зажигание факела окажется затруднительным. Значительно возросшие коэффициенты избытка воздуха повлекут за собой увеличение потерь с уходящими из котла газами.

В результате того, что согласно предлагаемому способу поток выхлопных газов ГТУ в предтопках разделяется на три-пять изолированных друг от друга потоков с возможностью регулирования в них расходов выхлопных газов создаются условия, необходимые для осуществления устойчивого и экономичного процесса горения и достижения наивысшей температуры в зоне горения. При этих условиях потери тепла с уходящими в атмосферу газами являются минимальными. Частичные режимы по тепловой нагрузке котла регулируются количеством предтопков, в которых идет процесс горения топлива. При зажигании предтопка предусмотренная на его входе регулирующая заслонка прикрывается, уменьшая расход выхлопных газов через данный предтопок до такой величины, чтобы обеспечить зажигание обогащенной смеси, образующейся при подаче в предтопок природного газа и смешении его с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. Эта обогащенная топливом смесь горит на выходе из системы щелевых сопел теплоаккумулирующей плиты. По мере прогрева плиты регулирующую заслонку открывают и на установившемся режиме работы предтопка горение топлива происходит внутри щелевых сопел теплоаккумулирующей плиты, а благодаря высокой температуре ее стенок достигается наиболее устойчивое горение и обеспечивается практически полное сжигание топлива в потоке газов данного предтопка. При таком способе формирования потока выхлопных газов ГТУ температура потоков в соседних предтопках (равная обычно 450 - 550oC) не будет оказывать заметного влияния на процесс зажигания и горения топлива в работающем предтопке, температура газов за которым достигнет порядка 1700oC.

Неравномерность температурного поля в газоходе за предтопками может привести к значительному снижению теплопередачи к экранным и конвективным поверхностям водогрейного котла и опасности появления в них паровых пробок с последующим прогоранием труб. Исключение этих явлений достигается эффективным перемешиванием разнотемпературных газовых потоков с помощью организации взаимопроникающего движения потоков из смежных предтопков. Это осуществляется в секционной камере смешения, на выходе которой установлены наклонные стенки с поперечными щелевыми соплами. Проходя через них, потоки газов разделяются на элементарные плоские струи, при этом векторы их скоростей для двух смежных потоков отклоняются навстречу, так что потоки пронизывают друг друга, создают вихревые шлейфы с высокой турбулентностью в плоскости их соприкосновения, обеспечивая тем самым эффективное смешение и выравнивание средней температуры потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла. Наклон стенок секций камеры смешения выбран в диапазоне 30 - 45o к продольной оси газохода, что создает оптимальный эффект перемешивания: при углах наклона, меньших 30o, за счет недостаточной генерации турбулентности в почти спутных потоках газа существенно возрастает необходимая длина камеры смешения; при углах наклона, больших 45o, увеличиваются аэродинамические потери на смешение, что снижает экономичность всей комбинированной установки (Сударев А. В., Маев В.А. Камеры сгорания газотурбинных установок. Интенсификация горения.- Л.: Недра, 1990, с. 65 - 80).

При работе всех предтопков одновременно водогрейный котел развивает номинальную тепловую нагрузку (зимний сезон отопления). Выключая последовательно один за другим предтопки, тепловую мощность котла снижают вплоть до минимальной (летний сезон), когда топливо в предтопки не подается и водогрейный котел работает в режиме котла-утилизатора. Количество изолированных потоков, на которые разделяются выхлопные газы ГТУ, должно обеспечивать заданную графиком работы станции теплоснабжения дискретность изменения тепловой нагрузки. В частности, выбранное число (три-пять) предтопков позволяет иметь шаг регулирования тепловой мощности 27 - 16%; с учетом имеющейся возможности (благодаря прикрытию заслонок в некоторых предтопках и пропорционального снижения расхода топлива в них) в дополнение к дискретному выполнять и плавное регулирование мощности в небольших пределах, реальный шаг регулирования котла по мощности составит 15 - 10%. Уменьшение числа предтопков до двух штук, во-первых, сильно увеличит шаг дискретного регулирования частичной тепловой мощности водогрейного котла, и, во-вторых, приведет к ухудшению условий смещения топлива с выхлопными газами ГТУ, увеличению химического недожега и снижению эффективности использования теплоты топлива. Наоборот, увеличение числа предтопков более пяти существенно усложнит конструкцию газохода и схемы регулирования, но шаг регулирования частичной тепловой нагрузки изменится при этом незначительно (снизится с 16 до 13%).

По условиям совместной работы в составе комбинированной установки должны быть согласованы пропускные способности газотурбинной установки и водогрейного котла. Поскольку основной задачей станций теплоснабжения является генерация тепловой энергии в соответствии с графиком сезонной нагрузки, необходимо обеспечить возможность регулирования тепловой нагрузки в диапазоне 20 - 100%, причем минимальную ее величину целесообразно получить за счет утилизации тепла выхлопных газов ГТУ, т.е. за счет сжигания природного газа только в ГТУ. Эти специфические особенности работы комбинированной электротеплоустановки достигаются при условии, что расход топлива в ГТУ составляет не более 25% от расхода топлива в водогрейном котле на его номинальной тепловой нагрузке и сохраняется неизменным при всех частичных тепловых нагрузках котла. Указанное соотношение является следствием того, что современные ГТУ работают с коэффициентами избытка воздуха 4,5 - 5,5. Чтобы обеспечить наиболее экономичную работу комбинированной установки, необходимо путем сжигания топлива в выхлопных газах ГТУ довести общий коэффициент избытка воздуха при номинальной тепловой нагрузке котла до значения 1,1, т.е. дополнительно следует сжечь еще примерно утроенный расход топлива ГТУ.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают регулирование и устойчивую, надежную и экономичную работу водогрейного котла на частичных нагрузках, т.е. всесезонную комбинированную выработку тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, а значит, достигается ожидаемый технический результат, а именно - повышение коэффициента использования тепла топлива.

Примеры осуществления способа.

Станция теплоснабжения оборудована водогрейным котлом типа ПТВМ-30 - его характеристики приведены в таблице (Бузников Е. Ф., Крылов А. К., Лесниковский Л. А. Комбинированная выработка пара и горячей воды.- М.: Энергоиздат, 1981, с. 21 - 23). При работе такого котла в составе комбинированной установки штатные горелки котла и вентиляторы для подачи воздуха в горелки отключены.

Согласно предлагаемому способу, по которому расход топлива в ГТУ составляет не более 25% от расхода топлива в водогрейном котле на его номинальной тепловой нагрузке и сохраняется неизменным при всех частичных тепловых нагрузках котла, определяем, что в ГТУ необходимо сжигать не более 1100 нм3/ч природного газа. Из номенклатуры ГТУ, выпускаемых заводами Украины, выбрали установку типа ГТУ-2,5, имеющую расход природного газа 900 нм3/ч (таблица). Такой выбор обеспечивает согласование ГТУ и котла по расходам выхлопных и уходящих газов, а также позволяет удовлетворить сезонные потребности в тепловой мощности в диапазоне 13 - 100%.

Пример 1. В комбинированной установке, содержащей ГТУ-2,5, электрогенератор и водогрейный котел ПТВМ-30, согласно заявляемому способу, поток выхлопных газов за ГТУ был разделен предтопками на четыре изолированных потока. Для обеспечения частичной тепловой нагрузки по зимнему графику теплоснабжения (20 МВт) в два предтопка подавали природный газ с расходом по 900 нм3/ч и сжигали его с оптимальным коэффициентом избытка воздуха 1,1, за счет чего на выходе из этих двух предтопков выхлопные газы были подогреты до 1790oC; температура потока в неработающих предтопках составляла 440oC, т.е. равнялась температуре выхлопных газов ГТУ. После эффективного перемешивания в струйной камере смешения среднемассовая температура газового потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла, составляла 1190oC. Поскольку при зимнем сезоне отопления средняя температура воды в контуре водогрейного котла должна быть 115oC, то на выходе из котла получили температуру уходящих газов, равную 162oC. В результате обеспечивается частичная тепловая нагрузка котла 19,5 МВт, а коэффициент использования тепла топлива составил 0,87, т.е. с таким же КПД вырабатывалось еще 2,5 МВт электрической мощности. По сравнению с раздельным получением электрической и тепловой энергии получили относительную экономию удельного расхода топлива 3,4% (третий столбец таблицы).

Эффективность, т.е. КПД комбинированного получения тепловой и электрической энергии при частичных нагрузках согласно заявляемому способу определяли на основе существующих норм расчета котлоагрегатов (Тепловой расчет котельного агрегата. Нормативный метод. - М.: Энергоиздат, 1973, 295 с.). Экономичность способа оценивали удельным расходом природного газа, т.е. таким количеством топлива (в кг или нм3), которое необходимо затратить на получение суммарного количества энергии, численно равного теплотворной способности топлива. При комбинированном процессе выработки тепла и электроэнергии удельный расход топлива определяется величиной bк - 1/tк, где tк - коэффициент использования располагаемого тепла топлива в предлагаемой установке. При раздельной выработке тех же количеств энергии соответственно с КПД, равными 0,91 и 0,35, общий коэффициент использования топлива будет определяться долей электрической энергии в сумме получаемых тепловой Nт и электрической Nэ энергий, n- Nэ/(Nэ+Nт). Следовательно, удельный расход топлива должен выражаться зависимостью bр-1/[0,35n+0,91(1-n)]. Величина (bр-bк)/bр и характеризует относительную экономичность процесса комбинированной выработки энергии на частичных нагрузках.

Пример 2. Комбинированную установку, содержащую ГТУ-2,5, электрогенератор и водогрейный котел ПТВМ-30, регулировали для получения минимальной (12%) тепловой нагрузки и частичной тепловой нагрузки 10 МВт по летнему режиму теплоснабжения. Согласно предлагаемому способу, поток выхлопных газов за ГТУ был разделен предтопками на четыре изолированных потока, в ГТУ сжигали 900 нм3/ч природного газа, а при минимальной тепловой нагрузке водогрейного котла подача природного газа в выхлопные газы газотурбинной установки была прекращена. Выхлопные газы ГТУ с температурой 440oC направляли через неработающие предтопки и камеру смешения в топочный объем водогрейного котла, в водяном контуре которого при летнем режиме теплоснабжения средняя температура воды равна 65oC. Без сжигания топлива в предтопках водогрейный котел развивает минимальную частичную мощность, равную 4,24 МВт, температура уходящих газов составляет 95oC, а коэффициент использования тепла топлива (КПД установки) снижается до 0,777. По сравнению с раздельной выработкой 2,5 и 4,24 МВт соответственно электрической и тепловой энергий на режиме минимальной мощности комбинированной установки достигается наибольшая относительная экономия удельного расхода топлива - 11,8%.

Для обеспечения частичной летней тепловой мощности 10 МВт, согласно заявляемому способу, подавали природный газ в один предтопок из четырех, при этом входную регулирующую заслонку данного предтопка прикрывали так, чтобы обеспечить зажигание запальной свечой обогащенной смеси, образующейся при подаче природного газа в форсуночный коллектор предтопка и смешении его с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. По мере прогрева плиты увеличивали подачу природного газа до 600 нм3/ч, однако регулирующую заслонку открывали не полностью, а лишь настолько, чтобы обеспечить сжигание топлива при оптимальной величине коэффициента избытка воздуха 1,1. За счет этого на выходе из данного предтопка выхлопные газы были подогреты до 1790oC; температура потока в неработающих предтопках составляла 440oC, т.е. равнялась температуре выхлопных газов ГТУ, работающей на постоянном режиме по электрической мощности. После эффективного перемешивания в струйной камере смешения среднемассовая температура газового потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла, составляла 710oC, а на выходе из котла получили температуру уходящих газов, равную 102oC. В результате обеспечена частичная тепловая нагрузка котла 10 МВт при коэффициенте использования тепла топлива 0,835. По сравнению с раздельным получением электрической и тепловой энергии получили относительную экономию удельного расхода топлива 8,2%.

Пример 3. Комбинированную установку, содержащую ГТУ-2,5, электрогенератор и водогрейный котел ПТВМ-30, регулировали для получения максимальной тепловой нагрузки 35 МВт по зимнему режиму теплоснабжения. Согласно заявляемому способу, полную тепловую нагрузку котла обеспечивали за счет подачи и сжигания по 900 нм3/ч природного газа во всех четырех предтопках. Для этого в уже работающем предтопке (пример 2) увеличивали расход топлива с 600 до 900 нм3/ч и полностью открывали входную регулировочную заслонку, доводя температуру на выходе из предтопка до 1790oC. Затем прикрывая регулирующую заслонку второго предтопка, зажигали запальной свечой обогащенную смесь, образующуюся при подаче и смешении природного газа с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. По мере прогрева теплоаккумулирующей плиты увеличивали подачу природного газа до 900 нм3/ч и полностью открывали регулирующую заслонку, обеспечивая сжигание топлива при оптимальной величине коэффициента избытка 1,1. За счет этого на выходе и из второго предтопка выхлопные газы были подогреты до 1790oC. Указанные операции последовательно выполнили также в третьем и четвертом предтопках, в результате чего среднемассовая температура газового потока, направляемого в топочный объем водогрейного котла, составила 1790oC. Поскольку при зимнем сезоне отопления средняя температура воды в контуре водогрейного котла должна быть 115oC, то на выходе из котла получили температуру уходящих газов, равную 180oC. Полная тепловая мощность водогрейного котла составила 34,6 МВт при коэффициенте использования тепла топлива 0,895, т.е. с таким же КПД вырабатывалось еще 2,5 МВт электрической мощности. По сравнению с раздельным получением электрической и тепловой энергии получили относительную экономию удельного расхода топлива 3,1% (пятый столбец таблицы).

конструктивная схема устройства для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станции теплоснабжения

Предлагаемый способ реализуется с помощью устройства.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станции теплоснабжения; на фиг. 2 - поперечное сечение газохода на участке камеры смешения потоков.

Устройство содержит газотурбинную установку 1, вал которой соединен с валом электрогенератора 2. К выхлопной камере 3 ГТУ крепится газоход, содержащий два участка (предтопочный участок 4 и камеру смешения 5), выходной фланец которой прикреплен снизу к подовой стенке 6 водогрейного котла 7. Поперечное сечение предтопочного участка 4 разделено перегородками 8 на три-пять равновеликих по площади канала (чтобы не загромождать схему, на фиг. 1 показан вариант устройства с тремя каналами). Каждый канал образует предтопок, который содержит входную регулирующую заслонку 9 и последовательно установленные за ней форсуночные коллекторы 10 с системой отверстий 11, подводящий коллектор природного газа 12, теплоаккумулирующую плиту 13 с рядом продольных щелей и запальную свечу 14.

Камера смешения 5 выполнена секционной, причем продольные стенки секций образованы разделительными перегородками 8 предтопков, а на выходе каждой секции под углом 30 - 45o к продольной оси газохода установлены стенки 15 с поперечными щелями 16 (фиг. 2), причем щели одной стенки смещены на полшага относительно щелей другой. Наружные стенки камеры смешения образованы вертикальными тепловоспринимающими трубами 17, проходящими через центральное окно 18 пода 6 водогрейного котла и соединены с тепловоспринимающими трубами 19 его топочного объема. Нижние концы труб 17 выведены на сборные коллекторы 20, расположенные на внешней стороне стенок камеры смешения.

Устройство работает следующим образом.

За счет подачи и сжигания природного газа в газотурбинной установке 1 приводится во вращение электрогенератор 2, вал которого соединен с валом ГТУ. Попадая в предтопочный участок 4 газохода, соединяющего ГТУ с водогрейным котлом 7, выхлопные газы разделяются перегородками 8 на три-пять изолированных друг от друга потоков. Процесс горения происходит в предтопках, куда топливо подводится по коллекторам 12 и 10 и выдувается в поток выхлопных газов через систему отверстий 11. Входные регулирующие заслонки 9 находятся в открытом положении. Образовавшаяся смесь выхлопных газов, в которых содержится 16% окислителя, и топлива пропускается через систему плоских щелей в теплоаккумулирующей керамической плите 13 и зажигается запальными свечами 14. Частичные режимы по тепловой нагрузке котла регулируют количеством предтопков, в которых идет процесс горения топлива. Выравнивание температуры по сечению газового потока осуществляется в секционной камере смешения 5. Потоки газов, проходя через наклонные щелевые сопла 16, разделяются на элементарные плоские потоки, которые пронизывают друг друга, обеспечивая эффективное смешение. Через центральное окно 18 в поде 6 котла перемешанный газовый поток направляется в топочный объем котла 7 и далее к его основным конвективным поверхностям нагрева.

поперечное сечение газохода на участке камеры смешения потоков.

Переход с меньшей частичной тепловой нагрузки котла на большую происходит путем увеличения количества работающих предтопков (т.е. таких, в которых осуществляется подача и сжигание топлива) из числа расположенных в предтопочном участке газохода 4.

Предтопок включается следующим образом. Регулирующая заслонка 9 данного предтопка прикрывается до такой степени, чтобы обеспечить зажигание обогащенной смеси, образующейся при подаче природного газа в коллектор 10, вытекании его через систему отверстий 11 и смешении с небольшим количеством выхлопных газов ГТУ. По мере прогрева плиты регулирующую заслонку открывают.

Использование предлагаемого способа комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения позволяет осуществить экономичную и надежную работу на частичных тепловых нагрузках в соответствии с сезонными графиками теплоснабжения. По сравнению с раздельной выработкой такого же количества тепловой и электрической энергии, предлагаемые способ и устройство во всем диапазоне частичных тепловых нагрузок обеспечивают экономию природного газа 3 - 12%, что подтверждает достижение ожидаемого технического результата.

Кроме того, экономический потенциал изобретения состоит в том, например, что если из 8000 работающих на Украине станций теплоснабжения хотя бы половину оборудовать установками для комбинированной выработки энергии, в которых электрическая мощность составит 10% от номинальной тепловой мощности, то это будет равноценно строительству четырех электростанций типа Запорожской АЭС.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, включающий сжигание природного газа в газотурбинной установке, формирование потока выхлопных газов за газотурбинной установкой, сжигание в них природного газа и охлаждение продуктов сгорания в водогрейном котле, отличающийся тем, что в газотурбинной установке сжигают природный газ в постоянном количестве, не превышающем 25% от расхода природного газа, сжигаемого в водогрейном котле при его номинальной тепловой нагрузке, поток выхлопных газов за газотурбинной установкой разделяют на три-пять потоков и в некоторых из них или во всех одновременно сжигают природный газ с оптимальным коэффициентом избытка воздуха 1,05 - 1,5 и затем все потоки смешивают, а при минимальной тепловой нагрузке водогрейного котла сжигание природного газа в выхлопных газах газотурбинной установки прекращают.

2. Устройство для комбинированного получения тепловой и электрической энергии на станциях теплоснабжения, содержащее газотурбинную установку, электрический генератор, подключенный к валу газотурбинной установки, водогрейный котел с топочным объемом и газоход, соединяющий выхлопную камеру газотурбинной установки с топочным объемом водогрейного котла, отличающееся тем, что газоход дополнительно снабжен рядом предтопков, расположенных на входе газохода по его поперечному сечению, и камерой смешения газовых потоков, расположенной на выходе газохода, при этом каждый из предтопков содержит входную регулировочную заслонку и последовательно установленные за ней подводящий коллектор природного газа, форсуночный коллектор с системой отверстий, теплоаккумулирующую плиту с системой щелевых отверстий и запальную свечу, а камера смешения выполнена секционной, причем продольные стенки секций образованы разделительными перегородками предтопков и на выходе каждой секции под углом 30 - 45o к продольной оси газохода установлены стенки с поперечными щелями, причем щели одной стенки смещена на полшага относительно щелей другой, а наружные стенки камеры смещения образованы вертикальными тепловоспринимающими трубами, проходящими через центральное окно пода водогрейного котла и соединяющимися с тепловоспринимающими трубами последнего.

Версия для печати


вверх