УНИВЕРСАЛЬНАЯ ВОЗДУШНО-ТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
GENERAL-PURPOSE AIR-TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано при создании наземных установок для получения электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, в том числе и при утилизации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО).
Проблема утилизации ТБО становится чрезвычайно актуальной. Традиционная практика вывоза ТБО на специальные полигоны связана не только с большими транспортными затратами, но и с сокращением полезного землепользования и заражением почвы. Простое сжигание ТБО частично решает эту проблему, но оно сопровождается выбросом в атмосферу с выхлопным газом как вредных веществ, так и тепловой энергии.
Известен пример газотурбинной установки с регенерацией тепла выхлопных газов, представленной в патенте США «Brayton Cycle Industrial Air Compression» №5586429 от 24.12.1996 г., где тепло выхлопного газа в теплообменнике нагревает воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, а турбина работает на газе, поступающем из камеры сгорания. Газ за теплообменником выбрасывается в атмосферу.
Горячий газовый контур теплообменника находится под давлением, отсюда пониженная надежность работы теплообменника. Камера сгорания работает при повышенном давлении, что вызывает повышенное образование вредных выбросов, а унос тепла с газом, выходящим из теплообменника, снижает кпд установки.
Известна газотурбинная установка (ГТУ), приведенная в статье «Применение газотурбинных систем с горением за турбиной, использующих камеры для сжигания твердых топлив при атмосферном давлении» ("The Application of Indirectly Fired Open Cycle Gas Turbine Systems Utilizing Atmospheric Pressure Fluidized Bed Combustors to Industrial Cogeneration Situations. C.L.Marksberry, B.C.Lindahl. ASME Publication 78-GT-16. - The American Sosiety of Mehanical Egineers, 1979. - P.1-6.), где в газотурбинной установке турбина работает на воздухе, нагретом в теплообменнике горячим газом из внешней камеры сгорания. При этом теплый воздух после турбины направляется внешнему, для ГТУ, потребителю.
В результате горячий контур теплообменника находится под атмосферным давлением, турбина работает на чистом воздухе (защищена от образования осадков на поверхности лопаток или их эрозии при использовании «грязного» топлива), камера сгорания работает практически при атмосферном давлении с меньшим выбросом вредных веществ в атмосферу. Однако отсутствие использования тепла выходящего из ГТУ воздуха для нагрева воздуха, поступающего в турбину, не позволяет ГТУ иметь более высокий кпд (который в принципе может иметь ГТУ с внешней камерой сгорания), по сравнению с ГТУ с встроенной камерой сгорания.
Наиболее близким аналогом заявляемому изобретению является газотурбинная установка, приведенная в статье «Газотурбинный двигатель для установки по термической переработке твердых бытовых и промышленных отходов», авт. В.Л.Иванова и Т.А.Заживихиной. Изв. Вузов. Авиационная техника. 2006. №2, с.76-79. Газотурбинная установка содержит первый и второй каскады воздушного компрессора, воздушную турбину, камеру сгорания с источником топлива - реактором-газификатором твердых бытовых отходов, потребитель мощности - электрогенератор, теплообменник с воздушным и газовым трактами, воздухоохладитель. Первый и второй каскады воздушного компрессора механически соединены с воздушной турбиной и электрогенератором. Вход первого каскада воздушного компрессора соединен с атмосферой, а выход через воздухоохладитель - с входом второго каскада воздушного компрессора. Выход второго каскада воздушного компрессора через воздушный тракт теплообменника соединен с входом воздушной турбины. Выход воздушной турбины сопряжен через трубопровод с газовым трактом теплообменника между его входом и выходом и с входом камеры сгорания, который соединен также с источником топлива. Выход камеры сгорания соединен с входом газового тракта теплообменника, выход которого соединен с атмосферой.
Установка камеры сгорания за воздушной турбиной позволила использовать тепло выходящего из воздушной турбины воздуха и тем самым уменьшить тепло, вырабатываемое в камере сгорания, уменьшить расход топлива и соответственно увеличить кпд ГТУ.
Недостатками технического решения являются:
- неполное использование тепла выхлопного газа;
- отсутствие агрегата пуска ротора турбина-компрессор-электрогенератор;
- отсутствие системы регулирования мощности воздушной турбины;
- отсутствие системы, обеспечивающей непрерывную работу ГТУ, в периоды отсутствия подачи в камеру сгорания продукт-газа (например, при перезаправке реактора-газификатора твердыми бытовыми отходами);
- использование ГТУ для работы только на одном типе топлива - продукт-газе.
В основу изобретения положено решение следующих задач:
- увеличение эффективности установки за счет более полного использования тепла выхлопного газа,
- обеспечение возможности регулирования полезной мощности и тепла установки,
- обеспечение раскрутки ротора при запуске установки,
- обеспечение непрерывной работы установки при сбоях в подаче топлива,
- расширение потребительских возможностей за счет увеличения степени использования тепла выхлопного газа и применения разных видов топлива: газообразного, жидкого и твердого топлива.
Поставленные задачи решаются тем, что универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка содержит первый и второй каскады воздушного компрессора, воздушную турбину, камеру сгорания с источником топлива, потребитель мощности, теплообменник с воздушным и газовым трактами, воздухоохладитель и байпасный трубопровод. Первый и второй каскады компрессора механически соединены с воздушной турбиной и потребителем мощности. Вход первого каскада компрессора соединен с атмосферой, а выход через воздухоохладитель соединен с входом второго каскада воздушного компрессора. Выход из второго каскада компрессора соединен с входом воздушного тракта теплообменника. Выход камеры сгорания соединен с входом газового тракта теплообменника. Выход воздушного тракта теплообменника соединен с входом турбины. Байпасный трубопровод выходом соединен с газовым трактом между его входом и выходом.
В соответствии с изобретением установка дополнительно содержит распределитель воздуха, топливный кран, резервуар с водой, вертикально расположенное погружное сопло, потребитель тепла, пусковую камеру сгорания, источник резервного топлива с краном и источник сжатого воздуха. Камера сгорания выполнена многотопливной. Распределитель воздуха входом соединен с выходом воздушной турбины, а выходом - с входом байпасного трубопровода и входом камеры сгорания. Вход камеры сгорания также соединен с источником топлива через топливный кран и с источником резервного топлива через кран. Выход газового тракта теплообменника соединен с вертикально установленным погружным соплом, заглубленным под уровень в воду резервуара. Резервуар сопряжен с потребителем тепла, при этом резервуар не полностью заполнен водой и выше уровня воды соединен с атмосферой. Пусковая камера сгорания выходом соединена с входом воздушной турбины, а входом - с источниками резервного топлива и сжатого воздуха.
Использование распределителя воздуха позволяет изменять соотношение расходов воздуха в газовых трактах высокотемпературной и низкотемпературной частей теплообменника, что дает возможность при постоянном расходе топлива изменять соотношение механической и тепловой мощности направляемых потребителям.
Использование топливного крана позволяет изменять расход топлива, поступающего в многотопливную камеру сгорания, изменять количество отдаваемого ей тепла и тем самым изменять суммарное количество тепла и мощности, отдаваемое установкой потребителям.
Использование резервуара с водой позволяет использовать так называемый «погружной нагрев», т.е. практически всю тепловую энергию выхлопного газа высокой температуры непосредственно передать промежуточному теплоносителю - воде, тепло которой направляется потребителю тепла.
Использование погружного сопла, заглубленного под уровень в воду, позволяет путем барботажа передать тепловую энергию струи горячего газа, выходящего из газового тракта теплообменника воде. Это тепло далее поступает потребителю тепла.
Использование пусковой камеры позволяет, используя источник сжатого воздуха и источник резервного топлива, обеспечить раскрутку ротора компрессор-турбина при запуске установки.
Использование источника резервного топлива позволяет снабжать топливом многотопливную камеру сгорания в период отключения источника топлива.
Использование крана позволяет изменять расход резервного топлива, поступающего в многотопливную камеру сгорания и тем самым регулировать выработку полезной мощности и тепла для потребителей в период отключения источника топлива.
Выполнение камеры сгорания многотопливной позволяет при отключении источника топлива (например, при перезаправке реактора-газификатора ТБО) работать на резервном топливе (из источника резервного топлива) и тем самым обеспечить бесперебойное снабжение потребителей механической энергией и теплом.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Теплообменник может быть выполнен в виде последовательно соединенных высокотемпературного и низкотемпературного теплообменников, при этом газовый тракт между ними соединен с выходом байпасного трубопровода. Это позволяет:
- упростить конструкцию теплообменников, использовать для их изготовления материалы разной прочности, что даст возможность уменьшить массу и стоимость всего теплообменника,
- полнее использовать регенерацию тепла выхлопного газа, увеличив мощностной кпд установки,
- облегчить работу высокотемпературного теплообменника за счет уменьшения расхода выхлопного газа.
Низкотемпературный теплообменник может быть выполнен из менее жаростойкого материала, чем высокотемпературный теплообменник. Это позволяет использовать для изготовления каждого теплообменника материалы потребной для каждого из них жаропрочности, что даст возможность уменьшить массу и стоимость всего теплообменника.
Потребителем мощности может быть электрогенератор, обеспечивающий потребителя универсальным видом энергии.
Электрогенератор может быть конвертирован для работы как в качестве электрогенератора, так и в качестве электродвигателя. Это позволяет использовать его при запуске установки для непосредственной раскрутки ротора без помощи пусковой камеры сгорания.
Потребителем мощности может быть гидросистема с насосом, что расширяет потребительские возможности установки.
Источником топлива для многотопливной камеры сгорания могут быть источники как высококалорийного, так и низкокалорийного топлива: источники газообразного (например, природный или попутный газ), жидкого (например, жидкое углеводородное топливо) или твердого (например, реактор-газификатор твердых бытовых отходов) топлива. Это расширяет потребительские возможности установки.
Потребителем тепла может быть теплофикационная система, система горячего водоснабжения, которые обеспечивают потребности инфраструктуры в разных видах тепла, что расширяет потребительские возможности установки.
Источник резервного топлива может одновременно содержать газообразное топливо (например, природный газ, попутный газ), жидкое топливо (например, жидкое углеводородное топливо) и твердое топливо (например реактор-газификатор твердого топлива).
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- увеличение эффективности за счет более полного использования тепла выхлопного газа,
- обеспечение возможности регулирования мощности и тепла установки,
- обеспечение раскрутки ротора при запуске установки,
- обеспечение непрерывной работы установки при штатном или нештатном отключении источника топлива,
- расширение потребительских возможностей установки.
Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего описания установки со ссылкой на прилагаемую схему.
Универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка содержит первый 1 и второй 2 каскады воздушного компрессора, воздушную турбину 3, камеру сгорания 4 с источником топлива 5, потребитель мощности 6, теплообменник 7 с воздушным 8 и газовым 9 трактами, воздухоохладитель 10 и байпасный трубопровод 11. Первый 1 и второй 2 каскады компрессора механически соединены с воздушной турбиной 3 и потребителем мощности 6. Вход первого 1 каскада компрессора соединен с атмосферой, а выход через воздухоохладитель 10 соединен с входом второго 2 каскада воздушного компрессора. Выход из второго 2 каскада компрессора соединен с входом воздушного тракта 8 теплообменника 7. Выход камеры сгорания 4 соединен с входом газового тракта 9 теплообменника 7. Выход воздушного тракта 8 теплообменника 7 соединен с входом турбины 3. Байпасный трубопровод 11 выходом соединен с газовым трактом 9 между его входом и выходом.
В соответствии с изобретением установка дополнительно содержит распределитель воздуха 12, топливный кран 13, резервуар 14 с водой 15, вертикально расположенное погружное сопло 16, потребитель тепла 17, пусковую камеру сгорания 18, источник резервного топлива 19 с краном 20 и источник сжатого воздуха 21. Камера сгорания 4 многотопливная. Распределитель воздуха 12 входом соединен с выходом воздушной турбины 3, а выходом - с входом байпасного трубопровода 11 и входом камеры сгорания 4. Вход камеры сгорания 4 также соединен с источником топлива 5 через топливный кран 13 и с источником резервного топлива 19 через кран 20. Выход газового тракта 9 теплообменника 7 соединен с вертикально установленным погружным соплом 16, заглубленным под уровень в воду резервуара 14. Резервуар 14 сопряжен с потребителем тепла 17, при этом резервуар 14 частично заполнен водой 15 и выше уровня воды 15 соединен с атмосферой. Пусковая камера 18 сгорания выходом соединена с входом воздушной турбины 3, а входом - с источниками резервного топлива 19 и сжатого воздуха 21.
Теплообменник 7 может быть выполнен в виде последовательно соединенных высокотемпературной 22 и низкотемпературной 23 его частей, при этом газовый тракт 9 между ними соединен с выходом байпасного трубопровода 11.
Низкотемпературный теплообменник 23 может быть выполнен из менее жаростойкого материала, чем высокотемпературный теплообменник 22.
Потребителем мощности 6 может быть электрогенератор.
Электрогенератор 6 может быть конвертирован для работы как в качестве электрогенератора, так и в качестве электродвигателя.
Потребителем мощности 6 может быть гидросистема с насосом.
Источником топлива 5 многотопливной камеры сгорания 4 может быть источник газообразного топлива, например природного или попутного газа.
Источником топлива 5 многотопливной камеры сгорания 4 может быть источник жидкого топлива, например жидкого углеводородного топлива.
Источником топлива 5 многотопливной камеры сгорания 4 может быть источник твердого топлива, например реактор-газификатор твердых бытовых отходов (ТБО).
Потребителем тепла 17 может быть теплофикационная система, система горячего водоснабжения.
Источник резервного топлива 19 может одновременно содержать газообразное топливо (например, природный газ, попутный газ), жидкое топливо (например, жидкое углеводородное топливо) и твердое топливо (например, реактор-газификатор твердого топлива).
Универсальная воздушно-турбинная энергетическая установка, представленная на чертеже, работает следующим образом.
При работе воздух из атмосферы всасывается первым каскадом 1 компрессора, где повышаются его давление и температура. Далее в воздухоохладителе 10 температура воздуха понижается и воздух, попадает во второй каскад 2 компрессора, где его давление доводится до заданной величины и воздух, проходя через воздушный тракт 8 теплообменника 7, нагревается и поступает в воздушную турбину 3. В воздушной турбине 3 воздух расширяется до давления, близкого к атмосферному, при этом понижается его температура и вырабатывается механическая энергия, передаваемая первому 1 и второму 2 каскадам компрессора и потребителю мощности 6. Из воздушной турбины 3 воздух распределителем воздуха 12 распределяется на два потока: первый поток воздуха направляется в многотопливную камеру сгорания 4, где при сгорании горючего газа из источника топлива 5 образуется выхлопной газ, поступающий в газовый тракт 9 теплообменника 7, а второй поток воздуха поступает в байпасный трубопровод 11. Оба потока соединяются в средней части газового тракта 9 теплообменника 7, проходят до конца газового тракта 9 и горячий выхлопной газ с небольшим избыточным давлением (2-3 кПа) через погружное сопло 16 попадает в воду 15, находящуюся в резервуаре 14. При прохождении выхлопного газа через газовый тракт 9 теплообменника 7 он отдает часть свей тепловой энергии воздушному тракту 8, в котором происходит нагрев воздуха и температура его приобретает заданное значение перед поступлением в воздушную турбину 3. При выходе выхлопного газа из погруженного под уровень воды сопла 16 происходит интенсивное перемешивание его с водой 15, сопровождающееся отдачей выхлопным газом тепла воде 15. Тепло воды 15 поступает потребителю тепла 17.
В периоды штатного или нештатного прекращения подачи топлива из источника топлива 5 закрывается топливный кран 13, открывается кран 20 и в многотопливную камеру сгорания 4 поступает топливо из источника резервного топлива 19, обеспечивающее непрерывную работу установки.
При запуске из источников сжатого воздуха 21 и резервного топлива 19 в пусковую камеру сгорания 18 поступает сжатый воздух и топливо, при сгорании которых образуется горячий газ высокого давления. Газ подается в воздушную турбину 3, раскручивает до частоты вращения малого газа ротор компрессор-воздушная турбина-потребитель мощности, после чего подача сжатого воздуха и топлива в пусковую камеру 18 отключаются и, доведя подачей топлива из источника резервного топлива 19 частоту вращения до номинальной величины, установка выводится на нормальный режим работы.
Останов осуществляется закрытием топливного крана 13 (или крана 20), прекращающим подачу топлива (резервного топлива) в многотопливную камеру сгорания.
При использовании конвертированного электрогенератора 6 возможно при запуске вместо пусковой камеры сгорания 18 производить раскрутку ротора подачей электричества к электрогенератору 6 от внешней сети (не показана).
В качестве примера представляет интерес рассмотреть работу предлагаемой универсальной воздушно-турбинной энергетической установки на низкокалорийном продукт-газе, получаемом при использовании двухстадийной термической утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) с помощью действующего реактора-газификатора Института проблем химической физики (г.Черноголовка) - ИПХФ, который является аппаратом фиксированной максимальной производительности по ТБО. Вырабатываемый им продукт-газ имеет параметры:
U
- низшую теплотворную способность H=5,123 МДж/кг,
0
- стехиометрическое отношение расходов воздуха и газа L=1,284 кг/кг,
P
- теплоемкость газа C=1,133 кДж/кг·К,
Г
- массовый расход продукт-газа М=0,846 кг/с.
B1
Г
В1
ВТ2
Тогда установка при температуре воздуха перед неохлаждаемой воздушной турбиной T=1173 K и соответствующей ей температуре газа за камерой сгорания T=1273 К (максимальная температура газа, при которой могут работать некоторые современные теплообменники) должна иметь массовый расход воздуха М=4,63 кг/с и при степени понижения полного давления турбины -  температуру воздуха за воздушной турбиной Т=753 К.
Г2
ЭГ
B
ВТ2
Г2
ЭГ
Расчетный анализ показывает, что при отсутствии подачи воздуха в байпасный трубопровод температура выхлопного газа за теплообменником равна Т=691 К и мощность электрогенератора - N=1070 кВт. Если при том же расходе воздуха через камеру сгорания и том же расходе топлива распределитель воздуха обеспечит расход воздуха через байпасный трубопровод ΔM=1,37 кг/с, то при подаче воздуха из него в месте, где температура газа равна температуре воздуха за воздушной турбиной (Т=753 К), температура выхлопного газа за теплообменником уменьшится до Т=564 К, а величина мощности электрогенератора увеличится до N=1388 кВт, при этом мощностной к.п.д. ГТУ увеличился с 0,28 до 0,36, т.е. на 30%, и тепловая мощность составляет 1220кВт. Таким образом, изменяя распределителем воздуха соотношение расходов газа между высокотемпературным и низкотемпературным теплообменниками можно изменять соотношение между электрической и тепловой энергией, направляемой потребителям.
При отключении реактора-газификатора установка переходит на работу от источника резервного топлива, в качестве которого принят природный газ.
Параметры природного газа при атмосферном давлении:
U
- низшая теплотворная способность H=47,4 МДж/кг,
0
- стехиометрическое отношение расходов воздуха и газа L=17,3 кг/кг,
P
- теплоемкость выхлопного газа в газовом тракте теплообменника C=1,16 кДж/кг К,
Г
- массовый расход природного газа М=0,108 кг/с.
Расчеты показывают, что для обеспечения той же температуры воздуха перед воздушной турбиной, что и при работе на продукт-газе, следует распределителем воздуха увеличить расход воздуха через многотопливную камеру сгорания всего на 3%. При этом мощность электрогенератора не изменится, а тепло, направляемое потребителю, уменьшится на 12% и соответственно мощностной кпд установки увеличится на 8%. Следовательно, переход на питание от резервного источника топлива не ухудшает показателей эффективности работы установки.
Таким образом, универсальной воздушно-турбинной энергетической установкой решены поставленные в изобретении задачи увеличения эффективности установки, обеспечения возможности регулирования в широком диапазоне изменения мощности и тепла, обеспечения запуска установки, непрерывной ее работы при перерывах в подаче топлива и увеличения потребительских возможностей. Следует также подчеркнуть, что камера сгорания установки работает при давлении, близком к атмосферному, что способствует снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания (в частности, оксидов азота) по сравнению с камерами сгорания, работающими при повышенном давлении среды. Кроме того, возможность работы установки на продукт-газе, получаемом от термической обработки ТБО, способствует снижению потребления невозобновляемых традиционных углеводородных топлив.