ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
GAS TURBINE PLANT OF RAISED EFFICIENCY

Изобретение относится к области энергетики, в частности к газотурбинным установкам, работающим на твердом, жидком или газообразном топливе, в том числе на продуктах газификации угля, и может найти применение при создании высокоэффективных газотурбинных установок с использованием отрицательных температур окружающей среды для охлаждения сжатого воздуха в турбокомпрессоре.
Известна газотурбинная установка (ГТУ), содержащая газификатор угля, систему очистки продуктов газификации, камеру сгорания, газовую турбину, рекуперативный теплообменник и теплообменник охлаждения синтез-газа перед «горячим» фильтром тонкой очистки и систему подачи распыленной воды в его газовый тракт (Патент РФ на полезную модель 30863, МПК 7 F02C 1/100, 2003 г.). Достоинствами известной ГТУ по указанному патенту являются сравнительно простая схема установки, возможность ее работы на различных видах твердого топлива и улучшенная термодинамика цикла ГТУ, связанная с регенерацией тепла выхлопных газов, снижение потерь на сжатие воздуха в турбокомпрессоре и возможность поддержания температуры синтез-газа на достаточно высоком уровне, обеспечивающем работоспособность материалов фильтра тонкой очистки. К недостаткам такой установки следует отнести эрозионное воздействие капель неиспарившейся жидкости в тракте турбокомпрессора на его лопаточный аппарат, а также выброс впрыснутой воды из компрессора в окружающую среду и вместе с водой теплоты парообразования.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является газотурбинная установка, содержащая газификатор угля, систему грубой и тонкой очистки продуктов газификации, два регенеративных теплообменника, камеру сгорания, газовую турбину, многоступенчатый воздушный компрессор, снабженный, по крайней мере, одной смесительной камерой, установленной между корпусами различных ступеней и выполненной в виде кольцевой цилиндрической полости, размещенной в газовом тракте многоступенчатого компрессора симметрично относительно его оси. Размер смесительной камеры выполнен увеличенным в радиальном направлении по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени компрессора. Смесительная камера снабжена средствами впрыска воды, дренирования неиспарившейся воды и средствами сепарации капель из паровоздушного потока. Камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, для этого выход многоступенчатого компрессора соединен через рекуперативный теплообменник на выходе газовой турбины через запорный вентиль с входом камеры сгорания (Патент РФ 2278286, МПК F02С 3/30, 2006 г.). Достоинствами данной ГТУ являются сравнительно простая схема установки, возможность ее работы на различных видах топлива, включая уголь. Устройство ГГУ имеет простую однокорпусную конструкцию многоступенчатого турбокомпрессора, содержащего в себе ступени сжатия и расположенные между ступенями сжатия смесительные камеры, не содержащие вращающихся частей, которые снабжены средствами впрыска воды, сепарирования и дренирования крупных неиспарившихся капель воды. Крупными каплями для проточной части турбокомпрессора принято считать размер капли воды более 20 мкм.
К недостаткам такой установки следует отнести использование испарительного охлаждения, которое может охладить сжатый влажный воздух только до температуры его насыщения, что по сравнению с безыспарительным процессом охлаждения повышает затраты энергии на сжатие воздуха, снижает степень регенерации тепла и увеличивает потери тепла, затраченного на испарение впрыснутой воды, выбрасываемой в атмосферу вместе с дымовыми газами.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в снижении температуры сжатого воздуха, в снижении температуры отвода тепла в окружающую среду, улучшении регенерации тепла и исключении выброса испаренной воды в газодинамическом тракте компрессора в окружающую среду.
Данная задача достигается за счет того, что в газотурбинной установке, содержащей газификатор угля, регенеративные теплообменники, камеру сгорания, газовую турбину, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор со смесительными камерами, причем каждая смесительная камера снабжена средствами впрыска жидкости, сепарации и вывода ее неиспарившейся части, камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, для чего выход многоступенчатого компрессора соединен через регенеративный теплообменник на выходе газовой турбины через запорный вентиль с входом камеры сгорания, согласно заявленному техническому решению в качестве охлаждающей жидкости использован антифриз, при этом впрыск антифриза в смесительные камеры осуществляется в виде крупных капель размером 20-500 мкм и обеспечивается полный выход их после безыспарительного контактного нагрева, средства впрыска и вывода антифриза объединены в гидравлический контур, включающий в себя смесительные камеры с вентилями ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос, теплообменное устройство контактного типа для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, систему контроля уровня и концентрации раствора антифриза в теплообменном устройстве и смесительных камерах, трубопроводные линии подпитки водой и антифризом теплообменного устройства, линию слива из теплообменного устройства в резервную емкость, линию подачи антифриза из резервной емкости в гидравлический контур, и запорные вентили, установленные на каждой линии, в газотурбинной установке также дополнительно установлен автономный трубопровод подачи воды в газификатор через регулировочный вентиль в регенеративный воздухоподогреватель и регенеративный теплообменник для охлаждения синтез-газа, установленный перед фильтром тонкой очистки, при этом перед фильтром тонкой очистки и на выходе газификатора установлены контрольные приборы для измерения температуры синтез-газа. В качестве антифриза использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение КПД газотурбинной установки за счет процесса сжатия воздуха в компрессоре, близкого к изотермическому, в связи с этим улучшается регенерация тепла, за счет обеспечения теплоотвода от сжимаемого воздуха при более низких температурах, за счет снижения работы сжатия, за счет резкого снижения выбросов паров воды в окружающую среду и, следовательно, выбросов скрытой теплоты парообразования, а также обеспечения допустимых температур синтез-газа на входе в фильтр тонкой очистки и на выходе из газификатора.
На фиг. 1 представлена схема ГТУ повышенной эффективности. Технический результат достигается при реализации данного изобретения в газотурбинной установке, включающей в себя газификатор угля 1, промежуточный охладитель рекуперативного типа 2, фильтр тонкой очистки продуктов газификации 3, камеру сгорания 4, газовую турбину 5, регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор 7 со смесительными камерами 8, установленными между ступенями и выполненными в виде кольцевых цилиндрических полостей, размещенных в газовом тракте многоступенчатого турбокомпрессора 7 симметрично относительно его оси. Размеры смесительных камер 8 выполнены увеличенными в радиальном направлении размерами по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени турбокомпрессора 7 и каждая смесительная камера 8 снабжена средством впрыска 9 антифриза и средством вывода антифриза 10 для повторного использования. Для отделения антифриза от воздуха в смесительных камерах 8 установлены сепарационные устройства. Выход многоступенчатого компрессора соединен через рекуперативный теплообменник 6, установленный на выходе газовой турбины 5, через вентиль 11 с входом камеры сгорания 4.
В качестве антифриза может быть использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях. Средства впрыска 9, установленные на смесительных камерах 8, позволяют вводить антифриз в виде крупных капель размером 20-500 мкм, а средства вывода 10 полностью выводить антифриз после безыспарительного нагрева и отделения сепарационными устройствами его от воздуха. Вне смесительных камер 8 средства впрыска 9 и вывода 10 антифриза объединены в замкнутый гидравлически контур, включающий в себя смесительные камеры 8, вентили средств (9 и 10) ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос 12, теплообменное устройство 13, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов 14 до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°С, трубопроводную линию подпитки водой с запорным вентилем 15, линию подпитки теплообменного устройства антифризом с запорным вентилем 16, линию слива антифриза из теплообменного устройства 13 с запорным вентилем 17 в резервную емкость 18, а также линию подачи антифриза из резервной емкости 18 в гидравлический контур через вентиль 19. Кроме того, предусмотрен прямой слив антифриза в гидравлический контур через вентиль 20.
В газотурбинной установке, работающей по предлагаемой схеме и в которой в качестве топлива используется уголь, дополнительно установлен автономный трубопровод 21 подачи воды в газификатор 1, проведенный от вентиля подачи воды 22 через регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины 5 и теплообменник рекуперативного типа 2, установленный перед фильтром тонкой очистки 3.
Работа газотурбинной установки повышенной эффективности
Работа газотурбинной установки возможна на газообразном и жидком топливе, а также при использовании синтез-газа, вырабатываемого в газификаторе угля 1, из которого полученный синтез-газ охлаждают в теплообменнике рекуперативного типа 2, очищают с помощью фильтра тонкой очистки 3 и подают в камеру сгорания 4 для последующего использования продуктов сгорания по назначению, при этом автономный трубопровод 21 включен только при использовании угля в качестве топлива, вентиль 11 в этом случае закрыт. Перед фильтром тонкой очистки 3 и на выходе газификатора 1 установлены контрольные приборы (на фиг. 1 не показаны) для измерения температуры синтез-газа.
При работе газотурбинной установки происходит засасывание наружного воздуха с температурой окружающей среды, последующее ступенчатое сжатие в многоступенчатом турбокомпрессоре 7. В смесительных камерах 8 путем подачи антифриза в капельном виде (размер капель составляет 20-500 мкм) и в которых капли, смешиваясь со сжатым воздухом, охлаждают его. Расход антифриза устанавливается с помощью регулирующих вентилей впрыска 9 и циркуляционного насоса 12 таким, чтобы в смесительных камерах обеспечить безыспарительный режим охлаждения воздуха, при этом осуществляется контроль и поддерживается отклонение температуры воздуха в пределах 0-10°C в конце первой и последней смесительных камер 8. Нагретый сжатым воздухом антифриз в сепарационных устройствах смесительных камер 8 полностью отделяется от воздуха и через вентили вывода 10 антифриз направляется в замкнутый гидравлический контур для повторного использования, в котором он под действием циркуляционного насоса 12 пропускается через теплообменное устройство контактного типа 13, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов 14 до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°С, после чего он поступает в смесительные камеры 8 через вентили впрыска 9. Учитывая фактор возможного частичного испарения воды из антифриза и конденсации воды из влажного воздуха окружающей среды в смесительных камерах 8, предусмотрена система контроля (на фиг. 1 не показана) уровня и концентрации раствора антифриза в теплообменном устройстве 13 и смесительных камерах 8, а для нормализации состава антифриза установлены линия подпитки теплообменного устройства 13 с запорным вентилем 15 и линия подпитки антифризом с запорным вентилем 16, а также линия слива антифриза из теплообменного устройства 13 через вентиль 17 в резервную емкость 18, линия подачи антифриза из резервной емкости 18 через вентиль 19 в гидравлический контур. Предусмотренный прямой слив антифриза в гидравлический контур через вентиль 20 используется при стационарных режимах работы газотурбинной установки, когда конденсационный и испарительный процессы антифриза стабилизированы климатическими условиями эксплуатации ГТУ.
При работе газотурбинной установке на угле включен автономный трубопровод 21 подачи воды в газификатор 1, проведенный от вентиля подачи воды 22 через регенеративный теплообменник 6 на выходе газовой турбины и теплообменник рекуперативного типа 2, установленный перед фильтром тонкой очистки 3, при этом вентиль 11 закрыт.
Для иллюстрации эффективности работы приведенной схемы газотурбинной установки на природном газе были проведены расчеты для температуры окружающей среды -35°C.
Температура и давление на входе в газовую турбину составляют соответственно 1600 К и 0,89 МПа. Внутренний или адиабатный КПД газовой турбины 0,89, а компрессора 0,86. Тепловой напор при регенерации тепла принят равным 37°С. Для безыспарительного охлаждения сжатого воздуха в охладительных камерах принят 60% раствор этиленгликоля в химически очищенной воде (антифриз). Воздух в охладительных камерах охлаждается с 300 К за счет нагрева антифриза на 8 градусов. На указанное охлаждение 1 кг воздуха расходуется 1,75 кг антифриза для одной камеры смешения.
Из расчетов следует, что КПД установки составляет 66%, а мощность на 1 кг рабочего тела - 0,468 МВт. Температура выхлопа -337 К (64°С) (в настоящее время считается оптимальным температурным уровнем выброса дымовых газов в атмосферу).
Аналогичный расчетный вариант при тех же параметрах, только при температуре окружающей среды +25°C дает КПД, равный 61,5%, при мощности 0,430 МВт, при этом температура выхлопа составляет 394,4 К.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает высокоэкономичную выработку электроэнергии. Особенно целесообразно его применение на территориях с холодным зимним климатом.