ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована на тепловых электрических станциях, газоперекачивающих агрегатах компрессорных станций, судовых двигателях.
Наиболее близким техническим решением к настоящей полезной модели является газотурбинная установка (ГТУ), включающая газотурбинный двигатель, за силовой турбиной которого установлен обращенный газогенератор, и основной электрогенератор, соединенный с валом силовой турбины, при этом обращенный газогенератор содержит установленные за силовой турбиной турбину перерасширения, дожимающий компрессор и теплообменник-охладитель перед дожимающим компрессором, причем турбина перерасширения и дожимающий компрессор установлены на общем валу, механически не связанном с валом силовой турбины (Авторское свидетельство СССР №267257, МПК F02C 3/04, опубликовано 10.06.2010).
Недостатком этого технического решения является недостаточно высокая удельная мощность и, как следствие, относительно низкий коэффициент полезного действия ГТУ, обусловленные отсутствием утилизации низкопотенциальной теплоты.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение удельной мощности и коэффициента полезного действия ГТУ за счет выработки дополнительной электроэнергии благодаря использованию низкопотенциальной теплоты отработавших газов до и после дожимающего компрессора.
Технический результат достигается тем, что в газотурбинную установку, включающую газотурбинный двигатель, за силовой турбиной которого установлен обращенный газогенератор, и основной электрогенератор, соединенный с валом силовой турбины, при этом обращенный газогенератор содержит установленные за силовой турбиной турбину перерасширения, дожимающий компрессор и теплообменник-охладитель первой ступени охлаждения перед дожимающим компрессором, причем турбина перерасширения и дожимающий компрессор установлены на общем валу, механически не связанном с валом силовой турбины, согласно настоящей полезной модели, введены теплообменник-охладитель второй ступени охлаждения, первый контур с низкокипящим рабочим телом и второй контур с низкокипящим рабочим телом, при этом каждый контур с низкокипящим рабочим телом содержит последовательно соединенные турбодетандер с электрогенератором, конденсатор воздушного охлаждения и конденсатный насос, причем выход конденсатного насоса первого контура с низкокипящим рабочим телом соединен с входом теплообменника-охладителя первой ступени, выход которого соединен с входом турбодетандера первого контура с низкокипящим рабочим телом, образуя замкнутый контур охлаждения, а выход конденсатного насоса второго контура с низкокипящим рабочим телом соединен с входом теплообменника-охладителя второй ступени, выход которого соединен с входом турбодетандера второго контура с низкокипящим рабочим телом, также образуя замкнутый контур охлаждения. В качестве низкокипящего рабочего тела может быть использован метанол.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена предлагаемая газотурбинную установку, а на фиг.2, 3 представлен термодинамический цикл Ренкина в T-s диаграмме для первой и второй ступени охлаждения соответственно.
На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - газотурбинный двигатель,
2 - входное устройство,
3 - воздушный компрессор,
4 - камера сгорания
5 - турбина для привода компрессора,
6 - силовая турбина,
7 - обращенный газогенератор,
8 - турбина перерасширения,
9 - теплообменник-охладитель первой ступени охлаждения,
10 - дожимной компрессор,
11 - теплообменник-охладитель второй ступени охлаждения,
12 - основной электрогенератор,
13 - первый контур охлаждения с низкокипящим рабочим телом,
14 - турбодетандер первого контура охлаждения,
15 - конденсатор воздушного охлаждения первого контура,
16 - конденсатный насос первого контура охлаждения,
17 - электрогенератор первого контура охлаждения,
18 - второй контур охлаждения с низкокипящим рабочим телом,
19 - турбодетандер второго контура охлаждения,
20 - конденсатор воздушного охлаждения второго контура,
21 - конденсатный насос второго контура охлаждения,
22 - электрогенератор второго контура охлаждения.
Газотурбинная установка включает газотурбинный двигатель 1, за силовой турбиной 6 которого установлен обращенный газогенератор 7, и основной электрогенератор 20, соединенный с валом силовой турбины 7.
Обращенный газогенератор 7 содержит установленные за силовой турбиной 6 турбину 8 перерасширения, дожимающий компрессор 10 и теплообменник-охладитель 9 первой ступени охлаждения перед дожимающим компрессором 10.
Турбина 8 перерасширения и дожимающий компрессор 10 установлены на общем валу, механически не связанном с валом силовой турбины 6.
Отличием предлагаемой газотурбинной установки является то, что в нее введены теплообменник-охладитель 11 второй ступени охлаждения, первый контур 13 с низкокипящим рабочим телом и второй контур 18 с низкокипящим рабочим телом.
Первый контур 13 с низкокипящим рабочим телом содержит последовательно соединенные турбодетандер 14 с электрогенератором 17, конденсатор 15 воздушного охлаждения и конденсатный насос 16. Выход конденсатного насоса 16 первого контура 13 с низкокипящим рабочим телом соединен с входом теплообменника-охладителя 9 первой ступени, выход которого соединен с входом турбодетандера 14 первого контура 13 с низкокипящим рабочим телом, образуя замкнутый контур охлаждения. Второй контур 18 с низкокипящим рабочим телом содержит последовательно соединенные турбодетандер 19 с электрогенератором 22, конденсатор 20 воздушного охлаждения и конденсатный насос 21. Выход конденсатного насоса 21 второго контура 18 с низкокипящим рабочим телом соединен с входом теплообменника-охладителя 11 второй ступени, выход которого соединен с входом турбодетандера 19 второго контура 18 с низкокипящим рабочим телом, также образуя замкнутый контур охлаждения.
В качестве низкокипящего рабочего тела может быть использован метанол.
Таким образом, предлагаемая ГТУ включает в себя газотурбинный двигатель 1, содержащий входное устройство 2, воздушный компрессор 3, камеру сгорания 4, турбину 5 для привода компрессора и силовую турбину 6, вал которой соединен с основным электродвигателем 12, в существующем газоходе газотурбинного двигателя 1 установлен обращенный газогенератор 7, состоящий последовательно из турбины 8 перерасширения, теплообменника-охладителя 9 первой ступени охлаждения и дожимающего компрессора 10, с утилизацией теплоты отработавших газов в теплообменнике-охладителе 11 второй ступени охлаждения, а также первый 13 и второй 18 контуры охлаждения с низкокипящими рабочими телами, работающих по органическому циклу Ренкина, турбодетандеры 14 и 19, соответственно первого 13 и второго 18 контуров охлаждения с низкокипящим рабочим телом, конденсаторы 15 и 20 воздушного охлаждения, конденсатные насосы 16 и 21, а также электрогенераторы 17 и 22,соответственно первого 13 и второго 18 контуров охлаждения с низкокипящим рабочим телом.
Предлагаемая газотурбинная установка работает следующим образом.
Наружный воздух поступает во входное устройство 2, компрессор 3 и камеру сгорания 4, турбину 5 для привода компрессора, силовую турбину 6 и турбину 8 перерасширения. Давление за турбиной 8 перерасширения ниже атмосферного и может достигать величин 0,05 МПа. При этих параметрах отработавшие газы поступают в теплообменник-охладитель 9 первой ступени охлаждения, дожимающий компрессор 10 и теплообменник-охладитель 11 второй ступени охлаждения. Мощность силовой турбины 6 передается соединенному на одном валу основному электрогенератору 12. Преобразование низкопотенциальной тепловой энергии отработавших газов в механическую и далее в электрическую происходит в первом 13 и втором 18 замкнутых контурах охлаждения с низкокипящим рабочим телом. Весь процесс для первого замкнутого контура 13 охлаждения начинается с сжатия в конденсатном насосе 16 (процесс I-II) жидкого низкокипящего рабочего тела (метанола), который направляется на подогрев в теплообменник-охладитель 9 первой ступени (процесс II-III), куда поступают отработавшие газы турбины 8 перерасширения. Температура кипения низкокипящего рабочего тела (метанола) сравнительна низка (64,71°С при нормальных условиях), поэтому в теплообменнике-охладителе 9 он быстро переходит в газообразное состояние (процесс III-IV), после чего, имея температуру перегретого газа, направляется в турбодетандер 14 первого контура 13 с низкокипящим рабочим телом.
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 14 не происходит конденсации низкокипящего рабочего тела в ходе срабатывания теплоперепада (процесс IV-V). Мощность турбодетандера 14 первого контура 13 передается соединенному на одном валу электрогенератору 17. На выходе из турбодетандера 14 низкокипящее рабочее тело (метанол) имеет температуру около 65,54°С с влажностью не превышающей 12%, его температура снижается в конденсаторе 15 воздушного охлаждения первого контура 13 (процесс V-I). После конденсатора 15 в жидком состоянии низкокипящее рабочее тело сжимается в конденсатном насосе 16 (процесс Ι-ΙI) и направляется на подогрев и испарение в теплообменник-охладитель 9 первой ступени. Аналогичный процесс происходит во втором замкнутом контуре 18 охлаждения с низкокипящим рабочим телом (метанолом), а именно процесс сжатия в конденсатном насосе 21 (процесс I-II) жидкого низкокипящего рабочего тела (метанола), который направляется на подогрев в теплообменник-охладитель 11 второй ступени (процесс II-III), куда поступают отработавшие газы дожимающего компрессора 10. Температура кипения низкокипящего рабочего тела (метанола) сравнительна низка (64,71°С при нормальных условиях), поэтому в теплообменнике-охладителе 11 он быстро переходит в газообразное состояние (процесс III-IV), после чего, имея температуру перегретого газа, направляется в турбодетандер 19 второго контура 18 с низкокипящим рабочим телом. Процесс настроен таким образом, что в турбодетандере 19 не происходит конденсации низкокипящего рабочего тела в ходе срабатывания теплоперепада (процесс IV-V). Мощность турбодетандера 19 второго контура 18 передается соединенному на одном валу электрогенератору 22. На выходе из турбодетандера 19 низкокипящее рабочее тело (метанол) имеет температуру около 65,54°С с влажностью не превышающей 12%, его температура снижается в конденсаторе 20 воздушного охлаждения (процесс V-I).
|
|
После конденсатора 20 в жидком состоянии низкокипящее рабочее тело сжимается в конденсатном насосе 21 (процесс I-II) и направляется на подогрев и испарение в теплообменник-охладитель 11 второй ступени.
Применение низкокипящего рабочего тела (метанола) в качестве рабочего тела позволяет создать компактную малогабаритную турбину, так как объемный расход пара через последнюю ступень в случае применения метанола значительно уменьшается. Так, при температуре конденсации 64,8°С, удельный объем водяного пара составляет 6,2327 м3/кг при давлении 0,0248 МПа, в то время как у метанола - 0,806 м3/кг при давлении 0,103 МПа. В результате в низкокипящем рабочем контуре отсутствует вакуумная система удаления воздуха из конденсатора со всеми ее эксплуатационными проблемами. Это позволяет создавать конструкции минимальных габаритов из обычных материалов (низкий уровень температур, минимальные окружные скорости и напряжения). Турбинная часть установок на метаноле представляет собой газовую турбину, работающую с низкими параметрами газа и поэтому достаточно надежную.
Пример конкретной реализации.
κ
кс
г
г
г
е
нрт
нрт
нpт
нрт
нрт
нрт
нрт
нрт
нpт
нрт
нрт
нpт
Применение двигателя типа НК-16СТ, созданного на базе конвертированного авиационного ГТД типа НК-8-2У, с использованием обращенного газогенератора в существующем газоходе за силовой турбиной газотурбинного двигателя, имеющего следующие параметры термодинамического цикла: температуру окружающего воздуха на входе в компрессор 288,15 К, расход циклового воздуха 95,34 кг/с, степень повышения давления в компрессорах π=9,5744, температуру в камере сгорания Т=1100 К, расход топливного газа в камере сгорания 1,0878 кг/с, температуру продуктов сгорания перед силовой турбиной Т=814,14 К, температуру и давление продуктов сгорания на входе в дожимающий компрессор за теплообменником-охладителем первой ступени Т=383 К, Р=0,0508 МПа, эффективный КПД η=0,3, температуру отработавших газов дожимающего компрессора на входе в теплообменник-охладитель второй ступени 475,62 К, температуру выхлопных газов, отводимых в окружающую среду 378,15 К, позволяет получить эффективную мощность на валу свободной турбины для привода электрогенератора, равную 16 МВт. При этом для отвода теплоты в существующем газоходе газотурбинного двигателя до и после дожимающего компрессора используются турбодетандерные установки, утилизирующие низкопотенциальную энергию с помощью низкокипящего рабочего тела, с параметрами на входе T=543,15 К, Р=8,5 МПа, G=14,42 кг/с и на выходе Т=338,69 К, Р=0,1056 МПа, G=14,42 кг/с для турбодетандера первого контура охлаждения, а также параметры на входе Т=453,15 К, Ρ=2,4 МПа, G=8 кг/с и на выходе Т=338,69 К, Р=0,1056 МПа, G=8 кг/с для турбодетандера второго контура охлаждения. При расчетном изоэнтропийном КПД турбодетандера равной 0,79, мощность, получаемая для привода электрогенератора, составляет 3,933 МВт для турбодетандера первого контура охлаждения и 1,538 МВт для турбодетандера второго контура охлаждения, а имеющиеся затраты на конденсаторы воздушного охлаждения и конденсатные насосы составляет соответственно 0,13 МВт, 0,216 МВт для первого контура охлаждения и 0,075 МВт, 0,0333 МВт для второго контура охлаждения.
В целом, суммарная электрическая мощность предлагаемой газотурбинной установки составляет 20,8 МВт, а эффективный КПД предлагаемой газотурбинной установки составляет 0,39.
Использование газотурбинной установки (НК-16СТ) с обращенным газогенератором и низкокипящим рабочим контуром увеличивает удельную мощность и экономичность на 30-35% без использования дополнительного топлива и без увеличения эмиссии вредных веществ.