ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
SOLID FUEL GAS-TURBINE PLANT

Изобретение относится к стационарным газотурбинным установкам (ГТУ) для привода полезной нагрузки, в том числе электрического генератора.
ГТУ, как правило, используют жидкое или газообразное топливо как наиболее удобное в эксплуатации, сжигаемое непосредственно в камере сгорания установки. Для обеспечения требуемого распыла топлива и устойчивого горения в камере сгорания необходимо подавать топливо с давлением значительно выше давления воздуха на выходе компрессора (до нескольких МПа). Полученные в результате сгорания топлива горячие газы направляются в турбину, где в ходе расширения производят полезную работу. Часть полезной работы используется для привода компрессора, остальная работа используется для привода полезной нагрузки.
Используемое в таких установках жидкое или газообразное топливо в силу горючести и взрывоопасности нуждается в специальных герметизированных емкостях и трубопроводах для хранения и транспортировки. Кроме того, разведанные запасы жидкого топлива ограничены.
Расширение ресурсной базы возможно за счет использования твердого топлива. Твердое топливо является более доступным в выработке, транспортировке и хранении. Существует также возможность использования возобновляемых источников твердого топлива, например такого, как древесина.
Твердое топливо использовать в газотурбинном двигателе напрямую невозможно из-за двух обстоятельств.
1. Топливо в обычную камеру сгорания надо подавать под давлением выше, чем давление воздуха на выходе компрессора. Подача твердого топлива даже в пылевидном состоянии под давлением требует использования сложных шлюзовых устройств с низким ресурсом уплотнений.
2. Несгораемые частицы (их содержание в продуктах сгорания твердого топлива во много раз больше, чем в продуктах сгорания жидкого) на типичной для газовой турбины скорости потока (сотни метров в секунду) сильно изнашивают проточную часть газовой турбины, приводя к значительному снижению наработки между ремонтами.
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 без глубокой его переработки из-за технической сложности организации непрерывного процесса сжигания кускового твердого топлива в камере сгорания избыточного давления. Кроме того, 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, воздухоподогреватель сжатого воздуха, установленный в топочной камере парового котла и подсоединенный к входу турбины, отходящий воздух которой используется в качестве дутьевого воздуха парового котла, и дополнительную топочную камеру с установленным в нем воздухоподогревателем в качестве экранной (радиационной) поверхности нагрева сжатого воздуха (RU 2109970, F02C 3/26, 1998).
К недостаткам известной 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.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является ГТУ (RU 56969, F02C 3/26, 2006). Установка содержит компрессор, турбину, электрогенератор и камеру сгорания в виде атмосферной топки. Турбина снабжена выходом с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде двух трубопроводов, где установлены два дросселя, которые регулируют соотношение расхода воздуха в топочную и надтопочную зоны. Установка дросселей в обеих линиях подачи воздуха к камере сгорания увеличивает общее сопротивление в линии выхлопа, что снижает КПД установки в целом. Кроме того, в предлагаемой конструкции тепловая энергия вырабатывается за счет горения топлива на колосниковой решетке, что требует продува сквозь слой твердого топлива стехиометрического количества воздуха (коэффициент избытка воздуха 1,0).
В основу изобретения положена задача повышения КПД установки.
Для достижения этого технического результата твердотопливная ГТУ содержит компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания и теплообменник. Компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника. Выход холодного контура теплообменника соединен с входом турбины, выход турбины связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде двух трубопроводов с дросселями. Камера сгорания содержит вход подачи твердого топлива и выход с линией подачи теплоносителя в теплообменник.
Новым в изобретении является то, что камера сгорания выполнена в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя. Линия подачи воздуха в камеру сгорания снабжена третьим трубопроводом и выполнена с возможностью раздельной подачи воздуха в газификатор, дожигатель и смеситель. Причем дроссели установлены в трубопроводах подачи воздуха в дожигатель и смеситель.
Новым также является то, что проходное сечение трубопровода подачи воздуха в газификатор устанавливается исходя из обеспечения коэффициента избытка воздуха в газификаторе, равного 0,20…0,25. А проходное сечение трубопровода подачи воздуха в дожигатель устанавливается исходя из обеспечения стехиометрического коэффициента избытка воздуха в дожигателе.
Выполнение камеры сгорания в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя обеспечивает снижение общего гидравлического сопротивления камеры сгорания за счет устранения необходимости продувки всего воздуха, подаваемого на горение через слой твердого топлива. Снижение гидравлического сопротивления достигается также за счет организации раздельной подачи воздуха в газификатор, дожигатель и смеситель.
Кроме того, снижение гидравлических потерь на продув воздуха через слой твердого топлива обеспечивается за счет снижения в 2,5 раза расхода воздуха, направляемого к топливу, поскольку для газификации твердого топлива необходимо меньше воздуха.
Оптимизация гидравлического сопротивления линии подачи воздуха в камеру сгорания достигается выбором необходимых сечений трубопроводов и установкой регулирующих элементов (дросселей). Так, в трубопроводе подачи воздуха в газификатор, как имеющем наибольшее гидравлическое сопротивление и тем самым определяющим общие потери давления по тракту, никакие регулирующие элементы не устанавливаются. Таким образом, обеспечивается снижение потерь по тракту ГТУ и соответствующее повышение КПД установки.
Регулирование расхода воздуха осуществляется дросселями, которые устанавливаются только в трубопроводах подвода воздуха к дожигателю и смесителю, что определяет минимальные гидравлические потери по самому «длинному» потоку (через газификатор) и тем самым обеспечивает максимальный КПД установки.
Таким образом, решена поставленная в изобретении задача по сравнению с известными аналогами.
Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием твердотопливной ГТУ и ее работы со ссылкой на чертеж, где изображена схема ГТУ.
Твердотопливная ГТУ (изображенная на чертеже) содержит компрессор 1, турбину 2, полезную нагрузку 3, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, выполненную в виде последовательно установленных газификатора 4, дожигателя 5 и смесителя 6, и теплообменник 7. Компрессор 1 выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника 7. Выход холодного контура теплообменника 7 соединен с входом турбины 2, выход турбины 2 связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде трех трубопроводов с дросселями 8, 9, установленными в трубопроводах подачи воздуха в смеситель 6 и дожигатель 5 соответственно. Камера сгорания содержит вход подачи твердого топлива и выход с линией подачи теплоносителя в теплообменник 7.
Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1, нагревается в теплообменнике 7 и поступает в турбину 2, где в ходе расширения производит полезную работу. Турбина 2 работает на чистом воздухе, а не на агрессивных продуктах сгорания, что увеличивает ресурс ГТУ. Горячий воздух с выхода турбины 2 под избыточным давлением несколько кПа (соответствует давлению в выхлопном тракте обычной ГТУ) разделяется на три потока. Первый поток в количестве, оптимальном для газификации (коэффициент избытка воздуха 0,20…0,25), поступает по трубопроводу в газификатор 4, в котором из твердого топлива вырабатывается синтез-газ, поступающий в дожигатель 5, где смешивается со вторым потоком воздуха с выхода турбины 2 до стехиометрического отношения воздух/топливо и полностью сгорает. Остальной воздух (третий поток) поступает по трубопроводу в смеситель 6, где продукты сгорания синтез-газа доводятся до требуемой по условиям прочности теплообменника 7 температуры.
Дроссели 8 и 9, установленные только в трубопроводах подачи воздуха в смеситель 6 и дожигатель 5, предназначены для первоначальной установки требуемого соотношения расходов по потокам воздуха в газификатор 4, дожигатель 5 и смеситель 6.
Дроссели 8 и 9 могут быть выполнены регулируемыми. Регулирование проходного сечения дросселей 8, 9 может осуществляться в зависимости от количества, вида и качества используемого твердого топлива.
Техническое решение позволяет исключить указанные выше обстоятельства, препятствующие использованию твердого топлива. Низкое избыточное давление в твердотопливной камере сгорания не требует шлюзовых устройств для подачи топлива и удаления золы, достаточно естественного уплотнения в, например, заполненном топливом или золой шнековом устройстве. Несгораемые частицы удаляются из синтез-газа за счет снижения скорости потока в теплообменной камере сгорания ниже скорости витания частиц, благодаря чему в теплообменник поступают чистые продукты сгорания.
Данное техническое решение обеспечивает снижение потерь по тракту ГТУ, исключает абразивный износ проточной части установки и повышает КПД установки в целом.