ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS TURBINE UNIT

Изобретение относится к теплоэнергетическому машиностроению и может быть использовано для привода полезной нагрузки, в том числе для пиковых энергетических установок в качестве привода для электрогенератора, предназначенного для выработки электроэнергии.
Возрастающие темпы потребления топливно-энергетических ресурсов и сокращение запасов углеводородного топлива, особенно жидкого и газообразного, заставляет обратить внимание на более полное использование твердого топлива, вторичных энергетических ресурсов, например, таких как твердые бытовые (ТБО) и биоотходы, в результате термической переработки которых образуется горючий газ (продукт - газ, биогаз), который можно использовать в качестве топлива в газотурбинных установках.
Изобретение направлено на реализацию возможности работы ГТУ на различных видах топлива, в том числе твердого топлива и вторичных бытовых ресурсов. Изобретение позволяет модернизировать существующие газотурбинные установки и расширить диапазон технических эффектов достигаемых при использовании установки.
Известна ГТУ открытого типа с регенерацией и с выносной камерой сгорания избыточного давления [см. Справочник Стационарные газотурбинные установки. Под ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина - Л.: Машиностроение, 1989, с. 17].
Недостатком этой установки является невозможность работы на твердом топливе поскольку продукты сгорания твердых топлив содержат достаточно большое количество твердых частиц и поэтому не могут быть использованы в качестве рабочего тела турбины во избежание повреждений и изнашивания элементов проточной части турбины.
Известна ГТУ, используемая в комбинированной электростанции, работающей на твердом топливе, например буром угле, сжигаемом в топке парового котла, содержащая компрессор, турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, подогреватель сжатого воздуха, установленный в топочной камере парового котла и подсоединенный к входу турбины. Отходящий воздух турбины используется в качестве дутьевого воздуха парового котла. ГТУ содержит дополнительную топочную камеру с установленным в нем воздухоподогревателем в качестве экранной (радиационной) поверхности нагрева сжатого воздуха [RU 2109970, F02C 3/26, 1998].
К недостаткам этой установки относятся низкий электрический коэффициент полезного действия, конструктивная сложность экранированной топки с керамическими панелями воздухоподогревателя, а также принципиальная невозможность работы на низкокалорийном кусковом топливе, например на древесных отходах, твердых бытовых отходах и пр.
Известна ГТУ, работающая на твердом топливе, с камерой сгорания в виде атмосферной топки, где тепловая энергия вырабатывается за счет горения топлива на колосниковой решетке [RU 56969, F02C 3/26, 2006].
К недостаткам этой установки относится то, что на колосниковой решетке слой твердого топлива подвергается агломерации и коксованию, что повышает общее гидравлическое сопротивление камеры сгорания.
Известна твердотопливная ГТУ с твердотопливной камерой сгорания, выполненной в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя, и теплообменником [RU 2545113, F02C1/04; F02C3/26; F02C3/28, 2015]. При этом атмосферный воздух сжимается в компрессоре, нагревается в теплообменнике и поступает в турбину. Горячий воздух с выхода турбины под избыточным давлением разделяется на три потока. Первый поток в количестве, оптимальном для газификации, поступает по трубопроводу в газификатор, в котором из твердого топлива вырабатывается синтез-газ, поступающий в дожигатель, где смешивается со вторым потоком воздуха с выхода турбины до стехиометрического отношения воздух/топливо и полностью сгорает. Остальной воздух (третий поток) поступает по трубопроводу в смеситель, где продукты сгорания синтез-газа доводятся до требуемой по условиям прочности теплообменника температуры.
К недостаткам этой установки относится наличие потоков газа с различной температурой, что приводит к неравномерности нагрева деталей и сборочных единиц и возникновению термических напряжений элементов газотурбинной установки. Кроме того, строгое соблюдение стехиометрического отношения воздух/топливо в течение всего процесса вызывает необходимость использовать топливо только одного вида, как по составу, так и по структуре.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является газотурбинная система [US 5185997, F02C 6/18, F02G 3/00, 1993]. Газотурбинная система используется для привода полезной нагрузки (генератора) и содержит воздушный компрессор, газовую турбину, устройство для охлаждения турбины, камеру сгорания, включающую средство для ввода топливного газа и средство для распыления мазута, и средства регулирующие режимы работы газ/мазут.
Недостатками известного устройства являются:
- камера сгорания предназначена для формирования рабочего тела только на основе продуктов горения горючих газов и/или нефтепродуктов, сжигание твердого топлива и смесей его с газами и жидкостями (аэрозоли, суспензии) не предусмотрено;
- подвод продуктов горения от камеры сгорания непосредственно к турбине снижает надежность работы установки вследствие наличия в них коррозионно активных веществ, содержащих серу, ванадий, оксиды азота, водяные пары, что может привести приводит к повреждению и изнашиванию элементов проточной части турбины;
- подвод продуктов горения от камеры сгорания непосредственно к турбине приводит к эмиссии вредных веществ, что может привести к ухудшению ухудшает экологическую обстановку в зоне эксплуатации ГТУ;
- устройство для охлаждения турбины не предназначено для охлаждения всей горячей зоны газотурбинного двигателя, что может привести приводит к возникновению термических напряжений его элементов и дополнительных силовых нагружений конструкции ГТУ;
- устройство для охлаждения турбины предназначено для подвода одной части воздуха от воздушного компрессора к турбине для ее охлаждения, а второй части воздуха от воздушного компрессора для подвода его через устройство для распыления нефтепродуктов к форсунке для их распыления в камеру сгорания, кроме того, часть воздуха непосредственно поступает от воздушного компрессора в камеру сгорания, что вызывает необходимость выполнения сложной системы контроля воздушными потоками.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования ГТУ, при котором обеспечивается ее работа на различных видах топлива без смешивания рабочего тела (воздуха) с продуктами сгорания топлива. Кроме того, обеспечивается повышение надежности ГТУ, снижение эмиссии вредных веществ в продуктах сгорания.
Задача решается тем, что газотурбинная установка, содержащая воздушный компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, согласно изобретению, содержит выносной подогреватель воздуха и устройство формирования потоков воздуха, расположенное между воздушным компрессором (далее компрессором) и воздушной турбиной (далее турбиной), при этом устройство формирования потоков включает распределитель потока сжатого воздуха на два частичных потока, обходной канал для охлаждения горячей зоны установки первым частичным потоком, и блок улиток, где одна улитка служит для отвода второго частичного потока сжатого воздуха и направления его в выносной подогреватель воздуха (далее подогреватель), а вторая улитка - для отвода подогретого воздуха от подогревателя и направления его в турбину, при этом между улитками установлен промежуточный корпус, соединяющий две улитки и препятствующий попаданию воздуха из первой улитки во вторую, где первая улитка с одной стороны соединена с задним фланцем корпуса компрессора, а с другой - с промежуточным корпусом, вторая улитка - с одной стороны - с промежуточным корпусом, а с другой - с сопловым аппаратом турбины.
Отличительными признаками предлагаемой ГТУ от прототипа являются наличие выносного подогревателя воздуха (далее подогревателя), который предусматривает подогрев поступающего в него сжатого воздуха от компрессора без смешивания его с продуктами сгорания топлива, а также наличие устройства формирования потоков воздуха (УФПВ), которое обеспечивает работу турбины на разных видах топлива. УФПВ выполняет функцию распределения, перенаправления потока воздуха от компрессора при подготовке его для использования в турбине в качестве рабочего тела. Поток сжатого воздуха от компрессора распределяется в УФПВ на два частичных потока. Часть потока используется для нагрева в выносном подогревателе с последующим подводом к турбине, а другая часть потока используется для эффективного охлаждения теплонагруженных элементов ГТД. Кроме того, УФПВ обеспечивает выравнивание структуры потоков, снижение аэродинамического сопротивления, повышая тем самым работоспособность и эффективность работы турбины и всей ГТУ.
Конструкция выносного подогревателя может быть различной, но его основные характеристики это - отсутствие продуктов сгорания в рабочем теле (воздухе), возможность работы на различных видах топлива, достижение заданного давления и рабочей температуры сжатого воздуха перед турбиной.
При использовании в подогревателе низкокалорийного топлива для достижения заданной температуры воздуха перед турбиной массовый расход воздуха через турбину должен значительно превышать массовый расход воздуха выходящего из компрессора. Для обеспечения массового расхода воздуха перед турбиной необходимо использование большого количества сжигаемого топлива вследствие низкой теплоты сгорания этого вида топлива. При этом массовый расход воздуха возможно регулировать, как в самом УФПВ, так и с помощью устройств на трубопроводах, соединяющих УФПВ и подогреватель.
Общая совокупность изложенных существенных признаков обеспечивает достижение основного и дополнительных технических результатов.
Изобретение предполагает возможные конкретные варианты реализации, примеры которых изложены в дополнительных пунктах формулы изобретения.
При реализации необходимо, чтобы компрессор, УФПВ и турбина были связаны в единый симметричный относительно осевой линии роторов наружный корпус.
Объединение конструктивных элементов ГТУ путем заключения компрессора, УФПВ и турбины в единый симметричный относительно осевой линии роторов корпус и наличие обходного канала для охлаждения горячей зоны газотурбинного двигателя способствует уменьшению термических напряжений элементов ГТУ и снижению температуры наружной поверхности корпуса, что обеспечивает повышение надежности работы ГТУ.
Выносной подогреватель воздуха и УФПВ соединяются между собой отводящими и подводящими трубопроводами с устройствами для регулирования воздушных потоков, обеспечивающими определенный в зависимости от типа топлива массовый расход. Например, такими устройствами могут быть вентили.
Сущность предложенного устройства поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема ГТУ в соответствии с международным стандартом ИСО 3977-1-97 «Газотурбинные установки. Основные положения и определения».
На фиг. 2 схематично изображен продольный разрез ГТУ, где показано взаимное расположение ее конструктивных элементов с выделением УФПВ.
На фиг. 3 схематично изображен продольный разрез УФПВ, его взаимосвязь с другими конструктивными элементами ГТУ и технологическая схема формирования воздушных потоков. Направления воздушных потоков показано стрелками.
Предлагаемая ГТУ (фиг. 1), содержащая компрессор 1, турбину 2, полезную нагрузку 3, установленные на одном валу 4, выполнена с выносным подогревателем 5, УФПВ 6.
УФПВ (фиг. 2) устанавливают между компрессором 1 и турбиной 2, и вместе они заключены в единый симметричный относительно осевой линии роторов наружный корпус. Установка может быть создана на базе существующих ГТД, путем модернизации.
УФПВ включает распределитель 7 (фиг. 3) потока сжатого воздуха от компрессора на два частичных потока, обходной канал 8 для охлаждения горячей зоны газотурбинного двигателя первым частичным потоком, и блок из двух улиток: первая улитка 9 - для отвода второго частичного потока сжатого воздуха от компрессора и перенаправления его в подогреватель, вторая улитка 10 - для отвода подогретого воздуха от подогревателя и перенаправления его в турбину. Между улитками установлен промежуточный корпус 11, соединяющий обе улитки и препятствующий попаданию воздуха из первой улитки во вторую. Распределитель 7 выполнен в виде отверстий и проемов. Он обеспечивает необходимый массовый расход охлаждающего воздуха и расход воздуха для подогрева в подогревателе.
Компрессор 1 (фиг. 2) входом соединен с атмосферой, а выходом - через распределитель 7 (фиг. 3) с первой улиткой 9 УФПВ и с обходным каналом 8 для охлаждения горячей зоны и выравнивания температурного поля ГТУ. Проходящий по обходному каналу 8 поток воздуха от компрессора 1 омывает поверхности первой улитки 9, промежуточного корпуса 11, второй улитки 10 в УФПВ и самой турбины. Выход первой улитки соединен с входом в подогреватель, а выход из подогревателя - через вторую улитку УФПВ с входом в турбину. Первая улитка 9 с одной стороны крепится к заднему фланцу корпуса компрессора, а с другой к промежуточному корпусу, вторая улитка 10 - с одной стороны к промежуточному корпусу 11, а с другой к сопловому аппарату турбины.
Выносной подогреватель воздуха и УФПВ соединяются между собой отводящими и подводящими трубопроводами с вентилями, а распределитель 7 оснащен регулируемыми заслонками, обеспечивающими формирование воздушных потоков с определенным, в зависимости от типа топлива, массовым расходом. Один из трубопроводов с вентилем служит для подвода сжатого воздуха от первой улитки в выносной подогреватель, второй с вентилем - для отвода подогретого воздуха от выносного подогревателя ко второй улитке. Трубопроводы должны быть установлены с возможностью их жесткого закрепления и снижения термических напряжений.
Заявленная газотурбинная установка работает следующим образом.
Сжатый воздух от компрессора поступает в УФПВ, где поток сжатого воздуха формируется с помощью распределителя, и часть потока воздуха направляется в подогреватель с массовым расходом 20 кг/сек и с температурой на выходе из компрессора 300°С. Подогреватель представляет собой камеру сгорания со встроенным трубчатым нагревателем сжатого воздуха. В подогревателе сжатый воздух за счет сжигания топлива нагревается до температуры 900°С и давления 0,1 Па. Далее нагретый сжатый воздух направляется через УФПВ на турбину. В турбине кинетическая энергия потока нагретого сжатого воздуха выполняет полезную работу (вращение роторов турбин, компрессора и полезной нагрузки, установленных на одном валу).
Настоящее изобретение не ограничено описанными выше вариантами осуществления, и его можно изменять и модифицировать, не выходя за рамки объема притязаний формулы изобретения. В вышеописанную конструкцию можно внести различные изменения и/или дополнения в пределах сути и объема изобретения.