ЭНЕРГОУСТАНОВКА
POWER PLANT

Изобретение относится к области энергетики и энергомашиностроения, в частности к энергоустановкам с замкнутыми газотурбинными установками с внешним подводом теплоты в них.
Известна схема газотурбинного двигателя, работающего по замкнутому циклу, в циркуляционном воздушном контуре которого задействованы цикловой компрессор, регенератор, охладитель, турбина и поверхностный нагреватель, и с возможностью подключения к этому контуру аккумулятора воздуха с вспомогательным компрессором (см., например, Ж. «Газотурбинные технологии», сентябрь 2014 г., стр. 26, рис. 2).
Известна теплоэнергетическая установка, работающая на легкокипящем веществе по замкнутой схеме, содержащая последовательно соединенные в циркуляционном контуре насос, теплообменник, турбину, конденсатор, ресивер и разомкнутый утилизационный контур с компрессором и турбиной в нем, установленными на одном валу с насосом и турбиной циркуляционного контура (см. а.с. SU №1460554 А1, МПК F25В 11/00, F01K 23/04, опубл. 23.02.1989 г.).
Известны газотурбинные установки замкнутого цикла, в циркуляционном контуре которых последовательно соединены компрессор, поверхностный нагреватель газа, газовая турбина и поверхностный охладитель газа, а также подкачивающий компрессор и аккумулятор рабочего тела и где для регулирования мощности предусмотрены клапаны сброса и добавки рабочего тела (см., например, Интернет: https://studfile.net/preview/5868238/page:23/. « Болдырев - ч. 1. ДВС и ГТУ. Глава 2.9. ГТУ замкнутого и полузамкнутого циклов, стр. 2…4») - прототип.
Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения электро- и теплоснабжения автономного потребителя путем создания надежной, относительно простой, автономной и не требующей больших затрат в эксплуатации энергетической установки на базе замкнутой газотурбинной установки с использованием воздуха в качестве рабочего тела.
Указанный технический результат в энергоустановке, содержащей замкнутый циркуляционный воздушный контур с включенными в него цикловым компрессором, тремя полостями четырехполосного двухсекционного рекуператора, одной полостью воздушного котла, газовой турбиной и одной полостью аппарата воздушного охлаждения, а также электрогенератор, воздушный фильтр, аккумулятор воздуха, вспомогательный компрессор, продувочный вентилятор, блок управления, утилизационный теплообменник, трубопроводы и запорный, распределительный и обратные клапаны, согласно предлагаемому изобретению достигается тем, что выход циклового компрессора сообщен с входом первого обратного клапана, чей выход сообщен с входом распределительного трехходового клапана, первый выход которого сообщен с входами размещенных в первой и второй секциях рекуператора первой и второй, соответственно, нагреваемых полостей, а второй выход - с входом газовой турбины, выходы первой и второй нагреваемых полостей рекуператора сообщены с входом нагреваемой полости воздушного котла, выход этой полости сообщен с входом газовой турбины, выход которой сообщен с входом размещенной в первой секции рекуператора его первой нагревающей полости, чей выход сообщен с входом охлаждаемой полости аппарата воздушного охлаждения, выход которой сообщен с входом циклового компрессора, при этом вход циклового компрессора дополнительно сообщен с выходом второго обратного клапана, чей вход сообщен с выходом воздушного фильтра, вход которого сообщен с атмосферой, выход газовой турбины дополнительно оснащен сбросным клапаном с возможностью его открытия в атмосферу, выход сообщенной входом с атмосферой охлаждающей полости аппарата воздушного охлаждения сообщен с входом топки воздушного котла, выход топки сообщен с входом размещенной во второй секции рекуператора его второй нагревающей полости, чей выход сообщен с входом сообщенной выходом с атмосферой нагревающей полости утилизационного теплообменника с выполненной в нем с возможностью подключения к потребителю нагреваемой полостью, при этом воздуховод за первым обратным клапаном дополнительно сообщен с входом третьего обратного клапана, выход которого сообщен с аккумулятором воздуха, который сообщен также с вспомогательным компрессором и соединен трубопроводом с запорным клапаном в нем с воздуховодом между рекуператором и воздушным котлом, причем в обвод участка воздуховода с нагреваемыми полостями в нем от воздуховода за воздушным котлом выполнен трубопровод с размещенными в нем обратным кланом и соединенным с выходом этого клапана своим входом продувочным вентилятором, выход которого соединен с воздуховодом перед рекуператором;
при этом возможно, что электрогенератор подключен к накопительной системе с инвертором;
возможно также, что вал газовой турбины и вал электрогенератора соединены посредством электромагнитной муфты с обеспечивающим возможность герметизации вала турбины герметичным разделительным экраном в ней;
возможно также, что подшипники циклового компрессора и газовой турбины представляют собой систему из подшипников на постоянных магнитах и газодинамических.
Отличительным признаком предлагаемой энергоустановки является то, что выход циклового компрессора сообщен с входом первого обратного клапана, чей выход сообщен с входом распределительного трехходового клапана, первый выход которого сообщен с входами размещенных в первой и второй секциях рекуператора первой и второй, соответственно, нагреваемых полостей, а второй выход - с входом газовой турбины, выходы первой и второй нагреваемых полостей рекуператора сообщены с входом нагреваемой полости воздушного котла, выход этой полости сообщен с входом газовой турбины, выход которой сообщен с входом размещенной в первой секции рекуператора его первой нагревающей полости, чей выход сообщен с входом охлаждаемой полости аппарата воздушного охлаждения, выход которой сообщен с входом циклового компрессора, при этом вход циклового компрессора дополнительно сообщен с выходом второго обратного клапана, чей вход сообщен с выходом воздушного фильтра, вход которого сообщен с атмосферой, выход газовой турбины дополнительно оснащен сбросным клапаном с возможностью его открытия в атмосферу, выход сообщенной входом с атмосферой охлаждающей полости аппарата воздушного охлаждения сообщен с входом топки воздушного котла, выход топки сообщен с входом размещенной во второй секции рекуператора его второй нагревающей полости, чей выход сообщен с входом сообщенной выходом с атмосферой нагревающей полости утилизационного теплообменника с выполненной в нем с возможностью подключения к потребителю нагреваемой полостью, при этом воздуховод за первым обратным клапаном дополнительно сообщен с входом третьего обратного клапана, выход которого сообщен с аккумулятором воздуха, который сообщен также с вспомогательным компрессором и соединен трубопроводом с запорным клапаном в нем с воздуховодом между рекуператором и воздушным котлом, причем в обвод участка воздуховода с нагреваемыми полостями в нем от воздуховода за воздушным котлом выполнен трубопровод с размещенными в нем обратным кланом и соединенным с выходом этого клапана своим входом продувочным вентилятором, выход которого соединен с воздуховодом перед рекуператором;
при этом возможно, что электрогенератор подключен к накопительной системе с инвертором;
возможно также, что вал газовой турбины и вал электрогенератора соединены посредством электромагнитной муфты с обеспечивающим возможность герметизации вала турбины герметичным разделительным экраном в ней;
возможно также, что подшипники циклового компрессора и газовой турбины представляют собой систему из подшипников на постоянных магнитах и газодинамических.
Предлагаемая энергоустановка, в основе представляющая собой замкнутую газотурбинную установку с внешним подводом теплоты и с использованием воздуха в качестве рабочего тела, схематично представлена на фиг.1 (вариант с размещением электрогенератора со стороны выхлопа турбины) и на фиг.2 (вариант с размещением электрогенератора со стороны входа (всаса) циклового компрессора).
Выполненный центробежным цикловой компрессор (ЦК) 1 и газовая турбина (ГТ) 2 выполнены на валу 3, размещенном в подшипниках 4 (выполненных в виде системы подшипников на постоянных магнитах и газодинамических). С выходным из турбины 2 концом вала 3 соединен (см. фиг.1) посредством электромагнитной муфты 5 вал электрогенератора (ЭГ) 6. Выходной патрубок компрессора 1 соединен воздуховодом 7 с входом первого обратного клапана (ОК) 8, выход которого соединен воздуховодом 9 с входом распределительного трехходового клапана (РТК) 10, первый выход которого соединен воздуховодом 11 с входами размещенных в первой 12 и второй 13 секциях рекуператора 14 первой и второй нагреваемых полостей 15 и 16, соответственно, а второй выход РТК 10 - трубопроводом 17 с входом газовой турбины 2. Выходы полостей 15 и 16 сообщены воздуховодом 18 с входом нагреваемой полости 19 воздушного котла (ВК) 20, выход полости 19 сообщен воздуховодом 21 с входом газовой турбины 2. Выход турбины 2 сообщен воздуховодом 22 с входом размещенной в первой секции 12 рекуператора 14 его первой нагревающей полости 23. Выход полости 23 сообщен воздуховодом 24 с входом охлаждаемой полости 25 аппарата воздушного охлаждения (АВО) 26, выход которой сообщен воздуховодом 27 с входом циклового компрессора 1. Выход сообщенной входом с атмосферой охлаждающей полости 28 АВО 26 соединен трубопроводом 29 с входом топки 30 (выполненной с возможностью подачи в нее топлива системой топливоподачи, на фиг. 1, 2 не показана) воздушного котла 20.
Выход топки (полости горения) 30 воздушного котла 20 трубопроводом 31 соединен с входом размещенной во второй секции 13 рекуператора 14 его второй нагревающей полости 32, выход полости 32 соединен трубопроводом 33 с входом нагревающей полости 34 утилизационного теплообменника (УТ) 35, выход полости 34 сообщен с атмосферой. Вход в ЦК 1 дополнительно соединен трубопроводом 36 с выходом второго обратного клапана 37, чей вход соединен с выходом воздушного фильтра 38, входом сообщенного с атмосферой. Воздуховод 9 между первым обратным клапаном 8 и входом РТК 10 соединен трубопроводом 39 с входом третьего обратного клапана 40, чей выход соединен с аккумулятором воздуха 41, который трубопроводом 42 с запорным клапаном 43 в нем соединен с воздуховодом 18 между рекуператором 14 и воздушным котлом 20. Аккумулятор воздуха 41 сообщен также с вспомогательным воздушным компрессором 44 (с обратным клапаном в нем, поз. не обозначена). Выход ГТ 2 оснащен сбросным клапаном 45 (с приводом). В обвод участка воздуховода с нагреваемыми полостями 15, 16 и 19 в нем (в рекуператоре 14 и воздушном котле 20) от воздуховода 21 за воздушным котлом 20 выполнен трубопровод 46 с размещенными в нем обратным клапаном 47 и соединенным с выходом этого клапана своим входом продувочным вентилятором 48 (с приводом), выход которого соединен с воздуховодом 11 перед рекуператором 14. В УТ 35 выполнена также нагреваемая полость 49 с возможностью ее подключения к системе теплоснабжения потребителя (на фиг. 1 не показана). Электрогенератор 6 подключен к накопительной системе (аккумулятору тока) 50 с инвертором 51. Энергоустановка оснащена также блоком управления 52. При выполнении энергоустановки в варианте размещения электрогенератора 6 со стороны входа (всаса) ЦК 1 (см. фиг. 2) ЭГ 6 выполнен на валу 3 (муфта поз. 5 при этом не нужна).
Работает предлагаемая энергоустановка следующим образом (см. фиг. 1, 2).
Основным режимом работы энергоустановки предполагается работа при атмосферном давлении на входе (всасе) компрессора (циклового) 1, соответственно, давление за компрессором 1 (в части воздушного контура между выходом компрессора 1 и входом турбины 2) при этом равно степени сжатия компрессора 1 (без учета потерь в контуре).
При запуске энергоустановки по командам блока управления 52 РТК 10 устанавливают в положение «вход соединен с первым выходом», включают продувочный вентилятор 48, подают (система топливоподачи и «организация тяги в топке 30» на фиг. 1, 2 не показаны) топливо в топку 30 воздушного котла 20, производят зажигание и определенное время (в зависимости от температуры окружающей среды) «прогревают воздушный котел 20». Продувочный вентилятор 48 в это время прогоняет воздух по трубопроводу 46, через обратный клапан 47, «через себя», нагреваемые полости 15 и 16 в рекуператоре 14, воздуховод 18 и нагреваемую полость 19 в воздушном котле 20 (при этом частично происходит и прогревание остального циркуляционного воздушного контура). Через некоторое время открывают запорный клапан 43, включают вспомогательный компрессор 44, от которого воздух (через обратный клапан, поз. на фиг. 1 не обозначена) поступает в аккумулятор воздуха 41, далее по трубопроводу 42 через клапан 43 в воздуховод 18 и распространяется по всему циркуляционному воздушному контуру. По достижении в циркуляционном воздушном контуре определенного давления выключают вентилятор 48, постепенно добавляют топлива в топку 30, с ростом в циркуляционном воздушном контуре давления и температуры воздуха начинают раскручиваться газовая турбина 2, выполненный на одном с ней валу 3 цикловой компрессор 1, а также электрогенератор 6, соединенный с ними посредством электромагнитной муфты 5 (см. фиг. 1) или установленный на одном с ними валу 3 (см. фиг. 2). Необходимый перепад давления на ГТ 2 при пуске обеспечивается открытием сбросного клапана 45, который держат открытым до выхода на режим самоходности энергоустановки, после чего его закрывают.
При этом сжатый в цикловом компрессоре 1 воздух, пройдя по воздуховодам 7, 9, 11 и через первый ОК 8 и РТК 10, поступает в нагреваемые полости 15, 16 рекуператора 14. Первая нагреваемая полость 15, расположенная в первой секции 12 рекуператора 14, нагревается теплом рабочего тела («выхлопного» воздуха), поступающего после ГТ 2 по воздуховоду 22 в первую нагревающую полость 23 рекуператора 14. Вторая нагреваемая полость 16, расположенная во второй секции 13 рекуператора 14, нагревается теплом газов (продуктов сгорания), поступающих из топки 30 ВК 20 по трубопроводу 31 во вторую нагревающую полость 32 рекуператора 14. После этого нагретый в полостях 15, 16 сжатый воздух по воздуховоду 18 поступает в полость 19, размещенную в ВК 20, где нагревается уже непосредственно теплом топки 30 до расчетной температуры и по воздуховоду 21 поступает на вход ГТ 2, в которой срабатываются теплоперепад и перепад давления рабочего тела (воздуха), результатом чего и является в итоге выработка электроэнергии (необходимой потребителю).
Из первой нагревающей полости 23 в рекуператоре 14 рабочее тело (воздух) выходит с достаточно высокой температурой и по воздуховоду 24 поступает в охлаждаемую полость 25 АВО 26, пройдя эту полость и охладившись в ней (отдав тепло воздуху, поступающему из атмосферы в охлаждающую (она же нагреваемая) полость 28 АВО 26), по воздуховоду 27 поступает на вход ЦК 1. Подогрев (в полости 28) воздуха, поступающего по трубопроводу 29 в топку 30, обеспечивает в ней больший эффект от сжигаемого топлива. Выхлопные газы из топки 30, пройдя трубопровод 31 и вторую нагревающую полость 32 в рекуператоре 14, по трубопроводу 33 поступают в нагревающую полость 34 УТ 35 и затем сбрасываются в атмосферу. В УТ 35 теплом газов полости 34 подогревается рабочее тело (например, вода) в полости 49 (выполненной с возможностью ее подключения к системе теплоснабжения потребителя, на фиг. 1 не показана).
При выходе газотурбинной установки на номинальный режим работы по оборотам и достижении при этом в циркуляционном воздушном контуре расчетного давления вспомогательный компрессор 44 отключают. Некоторое падение давления воздуха в циркуляционном контуре из-за возможных утечек в узлах замкнутого циркуляционного воздушного контура (в зазорах, неплотностях и т.п.) устраняется «автоматически» подсасыванием воздуха из атмосферы через фильтр 38 и обратный клапан 37 по трубопроводу 36 на вход циклового компрессора 1 и также «автоматически» поддерживается давление воздуха в аккумуляторе воздуха 41 благодаря поступлению воздуха из нагнетания циклового компрессора 1 по трубопроводу 39 через обратный клапан 40 (при необходимости - включением компрессора 44).
Для регулирования мощности энергоустановки РТК 10 устанавливают в положение, когда в нем часть потока рабочего тела после входа направляется во второй выход и далее по трубопроводу 17 на вход ГТ 2. Таким образом, эта часть потока рабочего тела (воздуха) поступает в турбину 2 без нагревания в рекуператоре 14 и воздушном котле 20 и из-за этого общая энтальпия воздушного потока, поступившего на вход турбины 2 (по воздуховоду 21 и трубопроводу 17), снижена и, соответственно, снижается вырабатываемая ею мощность.
Оснащение энергоустановки накопительной системой (аккумулятором тока) 50 с инвертором 51 и подключение к ней электрогенератора 6 позволяет обеспечить автономность установки. Выполнение соединительной муфты 5 электромагнитной позволяет снизить требования к соосности соединяемых ею валов и кроме того герметизирует выход вала турбины 2. Выполнение подшипников 4 в виде системы из подшипников на постоянных магнитах и газодинамических позволяет отказаться от системы смазки установки.
В настоящее время авторами выполнен технический проект предлагаемой энергоустановки (высокооборотной) мощностью 10 квт, с параметрами: степенью повышения давления в компрессоре Пк=4 и температурой воздуха перед турбиной Т=750…800°C.
Следует заметить, что в энергоустановках с замкнутым циклом большое значение имеет эффективность рекуператора (соответственно, габариты и стоимость). В связи с чем авторами выполняется проект рекуператора собственной конструкции.