Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив
Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив с инжектором пара в газотурбинный блок, к которому добавляется или полностью его замещает пар, выделяемый из топлива в камере сушки. Сушка осуществляется перегретым паром под давлением, соответствующим давлению газов на входе в турбину. Газификатор подключен после камеры сушки и, также рассчитан на это давление. Теплообменники перегрева пара на сушку и на ввод в инжектор включены на обогрев теплом газов за газовой турбиной. Предложенная схема установки позволяет повысить эффективность газификатора за счет использования предварительной сушки топлива, тогда как к.п.д. парогазовой установки тоже увеличивается за счет экономии тепла на выработку пара для инжектора. Качество добавляемого на вход инжектора пара может быть повышено за счет дополнительной установки разделительного теплообменника и использования для турбины пара чистой воды, при сливе конденсата влаги топлива.
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, конкретно, к парогазовым установкам, использующим газотурбинные блоки с инжекцией пара на входе турбины. Вода как двухфазное рабочее тело практически не требует затрат механической работы на создание высокого давления пара перед турбиной. При нагреве пара за счет энергии продуктов сгорания температура на входе может быть снижена до уровня, допустимого для лопаток турбины, при снижении избыточного расхода воздуха на горение, что уменьшает затраты работы на привод компрессора одновременно с ростом суммарного расхода рабочего тела. Это увеличивает эффективность парогазовой установки. Учитывая, что парогазовые установки превосходят по эффективности традиционные паротурбинные, они представляются предпочтительными не только при использовании газового топлива, но и на твердом топливе с его газификацией, несмотря на дополнительные потери энергии. В этом случае, однако, предъявляются повышенные требования к эффективности газификатора. В частности, известна крайне негативная роль влаги исходного топлива, снижающая как термохимический к.п.д. газификатора, так и скорость конверсии из-за уменьшения температуры в газификаторе [Иванов П.П., Ковбасюк В.И., Медведев Ю.В. К расчетной оптимизации газификатора, Теплофизика высоких температур, 2012, т 50, 
6, с. 835-840]. В этой связи особое значение придается сушке топлива, предваряющей газификацию таких распространенных влажных топлив, как бурый уголь или биоресурсы. При этом в энергетике предпочтительно применение интенсивных технологий.
Устройство интенсивной сушки представляет собой камеру, в которой осушаемый материал подвергается нагреву, предпочтительно при непосредственном контакте с теплоносителем, при котором влага испаряется. Но испарение влаги требует затрат энергии, а из-за большой теплоты фазового перехода у воды эта энергия значительна. В обычных условиях эта энергия теряется. При использовании интенсивной сушки перегретым паром потери выше. Поэтому исследуются новые технологии и устройства экономии энергии при сушке. Известно применение тепловых насосов для сушки газифицируемого сырья без потери теплоты фазового перехода [Патентная заявка EP 0063708 Espacenet.com. Процесс экономичной сушки и аппарат для его осуществления.]. Сушка топлива с использованием теплового насоса осуществляется посредством компрессора, откачивающего и сжимающего пар, и направляющего его в теплообменник, где он конденсируется, отдавая тепло нагреваемой среде. Так как температура фазового перехода от предварительно сжатого пара к конденсированному состоянию имеет место при более высокой температуре, чем испарение влаги при более низком давлении, в указанном теплообменнике тепло конденсации может быть использовано для подогрева пара в камере сушки. Компрессор и теплообменник позволяют запустить процесс сушки, исключающий потери энергии фазового перехода, но с расходом работы на сжатие пара. Разность температур между испарителем и конденсатором, определяющая интенсивность сушки, однако, не может быть выбрана достаточно большой, чтобы не терять много полезной работы. Маловероятно, что аппараты с ограничением интенсивности целесообразны для применения в энергетике. Альтернативой перечисленным решениям является использование газификатора под давлением с оптимизированными параметрами схемы [Медин С.А., Иванов П.П., Белоглазов А.А. Тепловые схемы парогазовых установок на угле с многоступенчатым подводом тепла при ограничении концентрации оксидов азота в уходящих газах. Известия АН, Энергетика, 2011, 5, сс. 18-25.], в котором пар влаги исходного топлива не удаляется, но работает в тепловой схеме. Однако эффект снижения температуры либо термохимического к.п.д. преобразования в газификаторе при наличии влаги при этом не устраняется, что делает такую газификацию менее эффективной, чем на предварительно осушенном сырье. Наиболее близким аналогом к возможному техническому решению устройства сушки в энергетической установке является аппарат, описанный в [Патент US 3,946,495 Метод и аппарат для сушки влажных бытовых отходов и осадка сточных вод]. Это устройство содержит камеру повышенного давления, куда с помощью устройства ввода влажных материалов подаются отходы, и где исходная влага осушаемого материала переходит в пар, который с помощью побудителя циркуляции направляется в теплообменник его перегрева для последующего использования при сушке, тогда как часть пара, равная количеству испарившейся влаги топлива, после дополнительного перегрева отводится на привод подключенной паровой турбины. Работа пара в турбине частично компенсирует затраты энергии на испарение влаги. К этому решению, однако, еще не привязана газификация. Два известных технических решения предлагают использование совмещенных процессов сушки перегретым паром под давлением с газификацией топлива: [Патент CA 1125026 Интегрированные процессы сушки угля и его газификации паром] и [Патент CA 1194442, US 4502227 Процесс непрерывной сушки и повышения качества органических материалов, таких, как, например, бурые угли]. Однако они не содержат указаний, каким образом и в какой мере могут быть скомпенсированы затраты на производство перегретого пара на сушку, и в какой мере целесообразно осуществлять газификацию, интегрированную с сушкой паром.
Для достижения высокой эффективности преобразования энергии влажных топлив в электроэнергию при использовании наиболее интенсивных процессов сушки и газификации с устранением замечаний по аналогам, предлагается полезная модель:
1 Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив, содержащая газотурбинный блок с инжекцией пара на входе в турбину, камеру сушки с устройством ввода в нее влажного топлива, побудитель циркуляции греющего перегретого пара под давлением в линии отбора пара в теплообменник подогрева пара для сушки, перегреватель пара, куда из линии подогрева пара на сушку в соответствии с поступающей из топлива влагой отбирается пар для турбины, газификатор со вводом осушенного материала из камеры сушки и выводом газа на турбину, отличающаяся тем, что линия пара влаги из камеры сушки после перегревателя подключена к инжектору пара газотурбинного блока, ввод окислителя в газификатор подключен к компрессору газотурбинного блока в параллель с линией воздуха на горение.
Для той же цели при одновременном увеличения надежности газотурбинного блока путем его защиты от загрязнений, вносимых паром из камеры сушки, предлагается:
2. Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив по п. 1, отличающаяся тем, что в линии пара на турбину за перегревателем установлен разделительный теплообменник, по нагреваемой сторона которого генерируется пар чистой воды для инжектора газотурбинного блока за счет охлаждения пара влаги на греющей его стороне, которая за конденсатором через дроссель идет на слив.
Сущность полезной модели поясняется схемами на фиг. 1 и фиг. 2. Фиг. 1 представляет схему парогазовой установки с сушкой топлива перегретым паром под давлением, его инжекцией в турбину, и газификацией при давлении перед турбиной. На фиг. 2 представлена аналогичная схема, отличающаяся лишь использованием для инжекции пара чистой воды, получаемого в разделительном теплообменнике за счет тепла охлаждения и конденсации пара влаги топлива. Такое использование пара сушки, наряду с газификацией под давлением без охлаждения и без дополнительного сжатия производимого газа, обеспечивают заявленный технический эффект.
На фиг. 1 показаны камера сушки 1, устройство 2 ввода топлива, или шлюз, в камеру с давлением, соответствующим давлению на входе в газотурбинный блок 12, устройство вывода осушенного материала 8 и его подачи в газификатор 10, снабженный выводом золошлаковых отходов 13, устройство газоочистки 11, за которым размещается ввод полученного горючего газа, а также пара влаги топлива 9 из дополнительного перегревателя - теплообменника на вход в газотурбинный блок 12 с инжекцией пара, совместно с потоком компримированного окислителя, как правило, подогретого регенеративным теплом с выхода газотурбинного блока - эти стандартные элементы в составе парогазовой установки на схеме не показаны, и далее по тракту газов выход газотурбинного блока подключен к теплообменику - перегревателю пара 5 с контуром сушки влаги с элементами 3 - побудителем циркуляции перегретого пара на сушку и вводом 4 в камеру сушки оборотного пара после перегрева, и участком дополнительного перегрева отводимого пара влаги топлива для инжектирования его в газотурбинный блок, после чего отработанные газы с выхода 6, если они не будут утилизированы как источник низкопотенциального тепла, могут быть сброшены в атмосферу.
На фиг. 2 к элементам предшествующей схемы добавлены разделительный теплообменник 14, к его выходу низкой температуры по греющей стороне подключен конденсатор 16 с устройством регулировки давления и сливом конденсата влаги топлива 17, а по стороне нагрева подключен питатель чистой воды 15, подаваемой под давлением несколько ниже, чем в камере сушки 1. При этом давление образующегося пара должно быть не менее, чем на входе в газовую турбину с инжекцией пара.
Полезная модель работает следующим образом. В камеру сушки 1 непрерывно или небольшими порциями, чтобы процесс шел как бы непрерывно, через устройство ввода (например, шнек или шлюз) 2 - (устройство, аналогичное используемому для ввода топлива в известных газификаторах под давлением), подается влажное топливо, и осуществляется его нагрев перегретым паром. При этом в камере сушки с контролируемым выходом по пару при заданном расходе топлива поддерживают необходимое высокое давление, соответствующее давлению в газификаторе. При сушке используют такие известные приемы ее интенсификации, как перемешивание, перемещение спутно или в противотоке с потоком греющего пара и т.п. Из камеры сушки посредством устройства подачи осушенной массы 8 топливо поступает в газификатор 10, где при вводе расчетного количества окислителя производится горючий газ. Газ и пар, полученный из влаги топлива, наряду с паром, производимым в стандартном, то есть основном парогенераторе парогазовой установки с инжекцией пара, подаются на вход газовой турбины. При высокой влажности топлива основной парогенератор может не потребоваться при оптимизации необходимого для эффективной работы турбины соотношения расходов указанных сред.
Для запуска тепловой схемы парогазовой установки, как и во всякой схеме с газификатором, для разогрева теплового контура необходимо использовать газовое, или, что несколько более сложно, жидкое топливо, а также с помощью вспомогательного котла получить пар, в том числе для инициирования сушки топлива.
При реализации способа по п. 2 используется дополнительное оборудование контура «чистого пара», работа которого не требует пояснений для специалистов и ясна по аналогии со способами использования теплового насоса «наоборот».
Полезный эффект включает в себя повышение технических характеристик газификатора (увеличение термохимического к.п.д. и/или уменьшение габаритов газификатора) на подсушенном топливе, и исключение потерь тепла при испарении влаги топлива. Это проявляется и как экономия тепла на испарение инжектируемого пара, необходимого в отсутствие подачи в турбину пара испаренной влаги топлива в соответствии с предлагаемой полезной моделью. Таким образом, повышение эффективности обеспечивается как самой возможностью газификации влажного топлива, так и увеличением полезного выхода газификатора, и также тем, что при существующих параметрах газовых турбин для энергетики подача пара еще и обеспечивает увеличение термического к.п.д. порядка нескольких процентов. В энергетике также засчитывается как положительный эффект поступление в ПГУ пара, выработанного из влаги, как материального ресурса.
Ссылки в тексте
1. Иванов П.П., Ковбасюк В.И., Медведев Ю.В. К расчетной оптимизации газификатора, Теплофизика высоких температур, 2012, т 50, 6, сс 835-840.
2. Патент EP 0063708 Процесс экономичной сушки и аппарат для его осуществления.
3. Медин С.А., Иванов П.П., Белоглазов А.А. Тепловые схемы парогазовых установок на угле с многоступенчатым подводом тепла при ограничении концентрации оксидов азота в уходящих газах. Известия АН, Энергетика, 2011, 5, сс. 18-25.
4. Патент US 3,946,495 Метод и аппарат для сушки влажных бытовых отходов и осадка сточных вод
5. Патент CA 1125026 Интегрированные процессы сушки угля и его газификации паром Патент CA 1194442, US 4502227 Процесс непрерывной сушки и повышения качества органических материалов, таких, как, например, бурые угли
1. Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив, содержащая газотурбинный блок с инжекцией пара на входе в турбину, камеру сушки с устройством ввода в нее влажного топлива, побудитель циркуляции греющего перегретого пара под давлением в линии отбора пара в теплообменник подогрева пара для сушки, перегреватель пара, куда из линии подогрева пара на сушку в соответствии с поступающей из топлива влагой отбирается пар для турбины, газификатор со вводом осушенного материала из камеры сушки и выводом газа на турбину, отличающаяся тем, что линия пара влаги из камеры сушки после перегревателя подключена к инжектору пара газотурбинного блока, ввод окислителя в газификатор подключен к компрессору газотурбинного блока в параллель с линией воздуха на горение.
2. Парогазовая установка на продуктах газификации влажных топлив по п. 1, отличающаяся тем, что в линии пара на турбину за перегревателем установлен разделительный теплообменник, по нагреваемой стороне которого генерируется пар чистой воды для инжектора газотурбинного блока за счет охлаждения пара влаги на греющей его стороне, которая за конденсатором через дроссель идет на слив.
