КОГЕНЕРАЦИОННАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
GAS TURBINE CO-GENERATION POWER PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики, в том числе к малой распределенной энергетике, и предназначено для использования в когенерационных газотурбинных энергетических установках, которые одновременно вырабатывают электрическую энергию и тепловую энергию.
Уровень техники
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 5,313,782 U.S. C1. 60/39.17, 24.05.1994), содержащая электрические генераторы, первую и вторую газовые турбины, компрессоры, первую и вторую камеры сгорания, паровой котел, нагреваемый за счет тепловой энергии выхлопных газов, исходящих из второй газовой турбины, и паровую турбину, в которой повышение коэффициента полезного действия (КПД) этой установки достигнуто путем оптимизации термодинамического цикла, реализуемого в данной энергетической установке.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (патент США № US 7,950,239 U.S.C1. 60/774, 31.05.2011), содержащая электрические генераторы, газотурбинную группу и паровой контур с установленным между ними паровым котлом, в котором тепловая энергия выхлопных газов турбин используется для обеспечения нагрева до парообразного состояния воды, подаваемой в утилизационную паровую турбину, что приводит к повышению использования энергии топлива.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Заявка на изобретение RU 2010145252, МПК F22B 1/24, 09.11.2010, Положительное решение о выдаче патента на изобретение №2010145252/06 (065285) от 26.06.2012), которая по совокупности функционально сходных существенных признаков выбрана в качестве прототипа.
Эта энергетическая установка содержит компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, причем выход компрессора низкого давления присоединен к входу компрессора высокого давления, компрессор продуктов сгорания, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления и газовую турбину низкого давления, имеющие между собой газовую связь, теплофикационное устройство, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, причем выход горячего канала теплофикационного устройства присоединен к входу компрессора продуктов сгорания газа и входу турбины низкого давления, а также холодным каналом теплофикационного устройства с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим и холодным каналами внутри теплофикационного устройства тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
Повышение полезного использования энергии топлива при выработке тепловой и электрической энергии в прототипе конструктивно достигается путем размещения теплофикационного устройства между газовой турбиной высокого давления и газовой турбиной низкого давления, а также за счет возврата в камеру сгорания части охладившихся в теплофикационном устройстве продуктов сгорания.
При этом достигается повышение КПД за счет снижения температуры продуктов сгорания перед турбиной низкого давления и соответственно уходящих в атмосферу выхлопных газов по сравнению с традиционными энергетическими установками, в которых для получения тепловой энергии используются продукты сгорания, выходящие из газовой турбины низкого давления, имеющие относительно низкие температуру и давление. Возврат части тепловой энергии, содержащейся в направляемых в камеру сгорания частично отработавших продуктах сгорания, дополнительно повышает КПД этой энергетической установки.
В прототипе количество получаемой тепловой энергии определяется температурой и давлением продуктов сгорания, частично отработавших в газовой турбине высокого давления и подаваемых на теплофикационное устройство, которые зависят от температуры и давления продуктов сгорания после камеры сгорания, подаваемых в газовую турбину высокого давления, на одном валу с которой размещен основной электрический генератор. Эта связь приводит к жесткой зависимости между количеством вырабатываемой электрической энергии и количеством получаемой тепловой энергии. Чем больше температура и давление продуктов сгорания после камеры сгорания, тем больше вырабатывается электрической энергии и тем больше можно снять тепловой энергии и наоборот. При этом устойчивость работы прототипа в значительной степени зависит от отклонений от номинального режима при изменении количества тепловой энергии, снимаемой в теплофикационном устройстве. Например, при увеличении количества снимаемой тепловой энергии температура поступающих на газовую турбину низкого давления продуктов сгорания снижается, что приводит к снижению мощности на валу этой турбины и, соответственно, мощности привода компрессора низкого давления, находящегося на том же валу. Это вызывает понижение давления воздуха за этим компрессором, а также за компрессором высокого давления, из которого сжатый воздух подается в камеру сгорания. В то же время подача части более холодных частично отработавших продуктов сгорания в компрессор продуктов сгорания к снижению давления за этим компрессором не приведет. В результате в камере сгорания может быть нарушено необходимое соотношение давлений воздуха и частично отработавших продуктов сгорания, что негативно повлияет на режим работы и может привести к неустойчивости и даже к нарушению работоспособности.
Следствием снижения температуры продуктов сгорания за счет большего теплосъема в теплофикационном устройстве прототипа является уменьшение количества возвращаемой тепловой энергии в камеру сгорания и последующее снижение температуры продуктов сгорания после камеры сгорания (то есть максимальной температуры термодинамического цикла данной энергетической установки), поступающих далее в газовую турбину высокого давления. Это приведет к снижению снимаемой с нее мощности, используемой для привода основного электрического генератора, компрессора высокого давления и компрессора продуктов сгорания, находящихся на одном валу.
Применение энергетической установки согласно прототипу в условиях сезонных и суточных колебаний в потреблении тепловой и электрической энергии ограничено, так как для обеспечения пикового энергопотребления требуются дополнительные генерирующие мощности.
Кроме того, в прототипе максимальное значение коэффициента полезного действия достигается только в режиме максимального теплосъема в теплофикационном устройстве, который во многих случаях практической эксплуатации такой энергетической установки не требуется, например вне отопительного сезона. На других режимах выхлопные газы, выбрасываемые в атмосферу, имеют более высокую температуру, что приводит к большим потерям энергии и, соответственно, к снижению КПД.
Сущность изобретения
Целью данного изобретения является обеспечение регулирования режима когенерации и повышение коэффициента полезного действия.
Указанные цели достигаются за счет того, что в заявленном техническом решении дополнительно установлено теплообменное устройство, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный каналы, вход горячего канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а выход горячего канала теплообменного устройства присоединен к входу горячего канала теплофикационного устройства, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления, вход холодного канала теплообменного устройства подсоединен к выходу из компрессора высокого давления, а выход холодного канала теплообменного устройства присоединен к входу камеры сгорания, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления, теплофикационное устройство выполнено регулируемым, а к газовой турбине низкого давления подсоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме, содержащей компрессор низкого давления, размещенный на одном и том же первом валу с газовой турбиной низкого давления с присоединенным к этому первому валу дополнительным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, компрессор высокого давления, размещенный на одном и том же втором валу с газовой турбиной высокого давления с присоединенным к этому второму валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка выполнена по двухвальной схеме со свободной турбиной, содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, газовую турбину высокого давления с присоединенным к этому валу основным электрическим генератором, используемым в качестве полезной нагрузки, и газовую турбину низкого давления, размещенную на втором валу, к которому присоединен дополнительный электрический генератор, используемый в качестве полезной нагрузки.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде парового котла.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде водогрейного котла.
В когенерационной газотурбинной энергетической установке регулируемое теплофикационное устройство выполнено в виде паротурбинной энергетической установки.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи. На Фигуре 1 изображена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме. На Фигуре 2 приведена блок-схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной. На Фигуре 3 показана диаграмма термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки в координатах температуры T и энтропии S.
Осуществление изобретения
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме (Фигура 1), содержит компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, имеющие между собой газовую связь газовую турбину высокого давления 4, размещенную на одном и том же валу с компрессором высокого давления 2, и газовую турбину низкого давления 5, размещенную на одном и том же валу с компрессором низкого давления 1, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, и основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 2 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства 10 использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка, выполненная по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), содержит размещенные на одном и том же первом валу компрессор низкого давления 1, компрессор высокого давления 2 и газовую турбину высокого давления 4, причем выход компрессора низкого давления 1 присоединен к входу компрессора высокого давления 2, камеру сгорания 3, газовую турбину низкого давления 5, размещенную на втором валу и имеющую газовую связь с газовой турбиной высокого давления 4, теплофикационное устройство 6, установленное между этими газовыми турбинами, снабженное внутренним горячим каналом теплофикационного устройства 7, в котором размещен движущийся теплоноситель, представляющий собой частично отработавшие в турбине высокого давления продукты сгорания, а также холодным каналом теплофикационного устройства 8 с помещенным внутри него другим движущимся теплоносителем, отводящим получаемую в результате теплообмена между горячим каналом 7 и холодным каналом 8 внутри теплофикационного устройства 6 тепловую энергию для ее использования вне газотурбинной энергетической установки, основной электрический генератор 9, подсоединенный к газовой турбине высокого давления 4 и используемый в качестве полезной нагрузки. Для обеспечения регулирования режима когенерации и повышения коэффициента полезного действия дополнительно установлено теплообменное устройство 10, содержащее взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий канал 11 и холодный канал 12, вход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления 4, а выход горячего канала 11 теплообменного устройства 10 присоединен к входу горячего канала 7 теплофикационного устройства 6, при этом в качестве движущегося теплоносителя горячего канала теплообменного устройства использованы частично отработавшие продукты сгорания, поступающие из газовой турбины высокого давления 4. Вход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 подсоединен к выходу из компрессора высокого давления 2, а выход холодного канала 12 теплообменного устройства 10 присоединен к входу камеры сгорания 3, при этом в качестве движущегося теплоносителя холодного канала теплообменного устройства использована содержащая окислитель газообразная смесь, поступающая из компрессора высокого давления 2. Теплофикационное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом, а к газовой турбине низкого давления 5 подсоединен дополнительный электрический генератор 13, используемый в качестве полезной нагрузки.
А
В
Г
Д
Е
Ж
З
И
На диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) приведены основные режимы ее работы, включая начальное, промежуточные и конечное состояния в координатах температуры Т и энтропии S для некого приведенного для примера промежуточного значения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Точка А на диаграмме соответствует началу процесса, связанного с подачей содержащей окислитель газообразной смеси, имеющей температуру Т, например воздуха, в компрессор низкого давления 1 (Фигура 1), в котором температура и давление этой смеси повышаются для последующего направления ее на вход компрессора высокого давления 2, чему соответствует точка Б. Участок Б-В характеризует дальнейшее повышение давления и температуры указанной смеси в компрессоре высокого давления 2 до ее значения T. В теплообменном устройстве 10 происходит дополнительный нагрев этой смеси до температуры T при незначительном снижении давления за счет аэродинамических потерь, соответствующий участку В-Г на диаграмме. В камере сгорания 3 получаются продукты сгорания, и этот процесс сопровождается повышением температуры до уровня T в конце участка Г-Д на диаграмме. Энергетический потенциал продуктов сгорания частично срабатывается в газовой турбине высокого давления 4, и их энергия превращается в механическую энергию вращения вала этой турбины, вращающей компрессор высокого давления 2 и основной электрический генератор 9. Указанная часть процесса описывается участком Д-Е на диаграмме. Частично отработавшие в газовой турбине высокого давления 4 продукты сгорания, имеющие температуру T, поступают в горячий канал 11 теплообменного устройства 10 и частично передают свою энергию для дополнительного подогрева содержащей окислитель газообразной смеси перед камерой сгорания 3. Этому соответствует участок Е-Ж на диаграмме. Дальнейшее охлаждение этих продуктов сгорания, вышедших из теплообменного устройства 10 с температурой T, в теплофикационном устройстве 6 характеризуется участком Ж-З на диаграмме. Длина участка Ж-З на диаграмме может увеличиваться в случае увеличения теплосъема в теплофикационном устройстве 6 или уменьшаться в случае уменьшения теплосъема в теплофикационном устройстве 6. Участок З-И диаграммы описывает срабатывание оставшегося энергетического потенциала продуктов сгорания в турбине низкого давления 5. При этом происходит снижение их давления до атмосферного давления, а температура уменьшается с уровня T до значения T, с которой эти продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.
Поскольку в заявленном изобретении подогрев содержащей окислитель газообразной смеси в теплообменном устройстве 10 осуществляется рекуперационно (то есть через стенку теплообменного устройства и без смешения указанной газообразной смеси с продуктами сгорания), то изменение давления частично отработавших продуктов сгорания, поступающих с выхода турбины высокого давления 4, практически не влияет на величину давления содержащей окислитель газообразной смеси, поступающей из теплообменного устройства 10 в камеру сгорания 3. Этим определяется высокая устойчивость работы данной энергетической установки по сравнению с прототипом.
Достоинством заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки является возможность обеспечения регулирования режима когенерации, то есть управляемого перераспределения энергии сжигаемого топлива между вырабатываемой электрическими генераторами электрической энергией и снимаемой в теплофикационном устройстве тепловой энергией в зависимости от текущих потребностей.
Это достигнуто за счет выполнения теплофикационного устройства 6 (Фигура 1) с регулируемым теплосъемом и подсоединения к газовой турбине низкого давления 5 дополнительного электрического генератора 13, используемого в качестве полезной нагрузки.
З
И
З
В заявленном изобретении увеличение теплосъема в теплофикационном устройстве соответствует смещению точки 3 на диаграмме термодинамического цикла когенерационной газотурбинной энергетической установки (Фигура 3) налево, то есть на более низкий уровень температуры T. Это приведет к снижению температуры выхлопных газов T за газовой турбиной низкого давления 5 и, таким образом, к повышению эффективности использования энергии сжигаемого топлива без какого-либо негативного воздействия на процесс выработки электроэнергии основным электрическим генератором 9, используемым в качестве полезной нагрузки. При этом указанное снижение температуры T будет сопровождаться снижением количества электроэнергии, производимой дополнительным электрическим генератором 13, используемым в качестве полезной нагрузки.
В одном крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 обеспечивается максимальный теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки потребителями. В данном случае точка 3 на диаграмме (Фигура 3) займет крайне левое положение. При этом энергии отработавших в теплофикационном устройстве 6 продуктов сгорания будет достаточно только для вращения газовой турбины низкого давления 5 и компрессора низкого давления 1, но недостаточно для выработки электрической энергии дополнительным электрическим генератором 13. В таком крайнем положении электрическая энергия вырабатывается только основным электрическим генератором 9, а с теплофикационного устройства 6 снимается максимально возможная тепловая энергия.
В другом крайнем положении регулирования режимом работы теплофикационного устройства 6 теплосъем и отвод тепловой энергии для ее использования вне энергетической установки не производится. На диаграмме (Фигура 3) это соответствует совпадению положения точки 3 с точкой Ж. Вся сохраненная таким образом энергия продуктов сгорания поступает на турбину низкого давления 5 для преобразования в энергию вращения этой турбины. Полученная на турбине низкого давления механическая энергия затрачивается на привод компрессора низкого давления 1 и преобразуется в дополнительном электрическом генераторе 13 в электрическую энергию. В этом случае вырабатывается максимально возможное количество электрической энергии совместно основным электрическим генератором 9 и дополнительным электрическим генератором 13, а тепловая энергия практически не вырабатывается. За счет установки промежуточных положений регулирования режима когенерации заявленной когенерационной газотурбинной энергетической установки между двумя указанными выше крайними положениями можно управлять количеством генерируемой электрической энергии и тепловой энергии в обратной пропорции, то есть увеличивая одну величину и одновременно уменьшая другую и наоборот. Таким образом, использование изобретения позволяет эффективно реагировать на суточные и сезонные изменения потребностей в электрической и тепловой энергии, сохраняя режим работы газовой турбины высокого давления в оптимальном диапазоне давления, температуры и частоты ее вращения, при которых достигается ее максимальный коэффициент полезного действия.
Регулируемое теплофикационное устройство может быть выполнено в виде парового котла, водогрейного котла и паротурбинной энергетической установки.
К достоинствам когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме (Фигура 1), относится возможность работы турбокомпрессорной группы высокого давления и турбокомпрессорной группы низкого давления с разными частотами вращения их валов для создания оптимальных аэродинамических условий работы лопаточных аппаратов указанных турбокомпрессорных групп. Такое конструктивное исполнение может быть использовано для снижения центробежных нагрузок в крупногабаритных энергетических установках, имеющих большую высоту лопаток турбины и компрессора.
Преимуществом когенерационной газотурбинной энергетической установки, выполненной по двухвальной схеме со свободной турбиной (Фигура 2), является возможность увеличения максимального теплосъема в теплофикационном устройстве при отсутствии электрической генерации на дополнительном электрическом генераторе. Увеличение теплосъема приводит к снижению энергетического потенциала продуктов сгорания, направляемых на свободную турбину низкого давления. В данном случае указанный энергетический потенциал продуктов сгорания можно снизить вплоть до уровня, обеспечивающего работу свободной газовой турбины низкого давления на холостом ходу с частотой вращения существенно ниже той величины, которая необходима для работы дополнительного электрического генератора. Стабильность и устойчивость работы всей энергетической установки при этом не нарушается, поскольку компрессор низкого давления и компрессор высокого давления размещены на валу турбины высокого давления и приводятся во вращение этой турбиной.
Промышленная применимость
Изобретение предназначено для использования в энергетике, в том числе в малой распределенной энергетике для снабжения промышленных предприятий и населения электрической и тепловой энергией. Все технические средства, входящие в состав когенерационной газотурбинной энергетической установки, применение которых предусмотрено изобретением, разрабатываются и выпускаются как отечественными промышленными предприятиями, так и ведущими компаниями в зарубежных странах. Предусмотренное изобретением взаимодействие технических средств реализуется в известных процессах генерации электрической энергии и тепловой энергии для использования в теплоснабжении и электроснабжении. В процессе изготовления всех устройств, входящих в когенерационную газотурбинную энергетическую установку, может быть использовано типовое стандартное промышленное оборудование, известные материалы и комплектующие изделия.