ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА

Полезная модель относится к области энергетики и энергетического машиностроения и предназначена для производства механической энергии, электроэнергии и тепла на основе использования теплоты горячих выхлопных газов газотурбинных установок.
Газотурбинные установки (ГТУ) служат для получения энергии и широко используются в энергосиловых системах в различных отраслях промышленности - в энергетике, на транспорте, в газовой и нефтяной промышленности в качестве привода газоперекачивающих агрегатов для транспортировки природного газа по магистральным газопроводам и т.д.
В ГТУ, работающих по простому циклу (что имеет место, например, на транспорте), выхлопные газы обычно выбрасываются в атмосферу. В связи с этим коэффициент полезного действия (КПД) таких установок находится в пределах 23-34%.
При транспортировке газа из областей его производства к потребителям, находящимся вдали от этих областей, используются трубопроводы
для передачи природного газа под высоким давлением. Газовые компрессоры, которые перегоняют газ по этим трубопроводам, обычно приводятся в действие от ГТУ. С целью снижения расхода топлива такие системы дополнительно снабжаются циклом рекуперации теплоты за счет преобразования в электричество тепла выхлопных газов турбины, имеющих на выходе из турбины температуру 400-560°С.
Идеи полезного использования тепла выхлопных газов заложены, например, в решениях, описанных в следующих патентах на изобретения и полезные модели РФ:
1. «Комбинированная парогазовая энергетическая установка и способ ее эксплуатации». - патент РФ на изобретение №2124134, МПК F 01 K 23/10, приор. от 13.02.1998 г., опубл. 27.12.1998 г.;
2. «Газотурбинная установка с теплоутилизационным контуром».
- патент РФ на изобретение №1607502, МПК F 01 K 23/10, приор. от 13.02.1998 г., опубл. 27.12.1998 г.;
3. «Теплоэнергетическая установка для утилизации теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя». - патент РФ на изобретение №2266414, МПК F 01 K 23/10, F 02 C 6/18, приор. от 30.12.1999 г., опубл. 27.10.2003 г.
4. «Энергетическая газотурбинная комбинированная установка»,
- свидетельство на полезную модель РФ №23921, МПК F 02 C 3/30, приор. от 17.12.2001 г., опубл. 20.07.2002 г.
В перечисленных решениях используется широко распространенный пароводяной контур «паровой котел - паровая турбина», который дает возможность повысить суммарный КПД:
- для двигателей мощностью в пределах 5-20 МВт до 40-45%;
- для двигателей от 20 до 60 МВт до 53%;
- для двигателей мощностью от 60 МВт до 900 МВт до 58-60% за счет усложнения пароводяного цикла (см. также «Каталог газотурбинного оборудования 2003-2004 г.г.», глава 3, стр.101-120. - Приложение к
Специализированному информационно-аналитическому журналу «Газотурбинные технологии»).
Принцип действия таких комбинированных ГТУ состоит в том, что выходные газы турбины подаются в теплообменник с водой, которая за счет нагрева испаряется. Образующийся водяной пар подается на паровую турбину, которая соединена с генератором, производящим электричество. Расширенный пар выходит из турбины, охлаждается, конденсируется и вновь в виде воды поступает в теплообменник.
Однако, пароводяные системы рекуперации тепла выхлопных газов газовой турбины недостаточно эффективны по следующим причинам:
- свойства водяного пара при рабочих параметрах температуры и давления в утилизационных системых ГТУ не являются оптимальными, т.к. низкие значения температур и давления соответствуют повышенным расходам тепла на единицу мощности. Паровые турбины эффективны при нагреве пара обычно до 650°С;
- теплоемкость пара в процессе осуществления рабочего цикла снижается, что приводит к уменьшению тепловых потоков в теплообменниках;
- относительно высок теплосъем от отработанного пара при сравнительно низких адиабатических перепадах, что сопровождается увеличением потерь в конденсаторе;
- для экономически обоснованного термического КПД установки в системе необходим конденсатор отработанного пара с обеспечением в нем давления до 0,04 ата, что резко увеличивает массогабаритные показатели энергетической установки в целом;
- есть необходимость осуществления водоподготовки и контроля качества питательной воды;
- с целью осуществления более эффективного регенеративного цикла требуется дополнительное количество теплообменников, по
количеству ступеней промежуточного отбора пара, что также отражается и на массогабаритных показателях, и на стоимости установки в целом.
Для повышения эффективности использования выделяющейся при сгорании топлива теплоты и дополнительного повышения КПД в циклах рекуперации теплоты отработанных газов применяют отличные от воды органические теплоносители, например, нормальный пентан, изопентан, пропан, изобутан (например, патенты РФ на изобретения №2171385 «Газотурбинная система с циклом рекуперации теплоты и способ ее использования» (МПК F 02 C 6/18, приоритет от 13.06.1996 г., опубл. 27.07.2001 г.) и №2215165 «Способ регенерации тепла выхлопных газов в преобразователе органической энергии с помощью промежуточного жидкостного цикла (варианты) и система регенерации тепла выхлопных газов» (МПК F 01 K 23/10, F 02 C 6/18, приор. от 28.05.2003 г., опубл. 20.12.2005 г.).
2
2
6
2
4
В монографии Нестеренко В.Б. и Тверкина Б.Е. «Теплообмен в ядерных реакторах с диссоциирующими теплосителями» (Минск, Наука и техника, 1980 г.) рассматривается возможность построения газожидкостного цикла на химически реагирующих рабочих телах. Класс таких рабочих тел достаточно велик. Это могут быть HgCl, AlCl, четырехокись азота NO и другие.
Конструктивное исполнение предложенных решений достаточно громоздко и экономически оправдано в случаях больших электрических мощностей. В системах массового спроса, при мощностях от 300 до 10000 кВт, - например, в случае транспортировки газа из областей его производства к потребителям, которые находятся вдали от этих областей, - нужны более экономичные и компактные энергетические комплексы.
Наиболее близким к предлагаемому решению можно считать систему, состав и работа которого описаны в патенте «Бинарная парогазовая установка» (патент РФ на изобретение №2252323, МПК F 01 K 23/10, приор. от 30.12.2002 г., опубл. 20.05.2005 г).
Прототип содержит компрессоры низкого и высокого давления, промежуточный охладитель воздуха, камеру сгорания, газовую турбину, котел-утилизатор (теплообменник), паровую турбину, насос и генератор тока. При этом число ступеней компрессоров высокого и низкого давления выбирается, исходя из требуемого общего КПД установки.
Использование в прототипе промежуточного охлаждения воздуха при его сжатии в компрессоре увеличивает суммарный КПД парогазовой установки до 52,8%. Повышение давления в компрессоре позволяют (по расчету авторов) повысить КПД до 53,18%. Однако при этом резко уменьшаются преимущества в мощностных показателях установки.
К недостаткам прототипа можно отнести:
- повышение начальной температуры и давления в газовых турбинах;
- увеличение числа ступеней компрессоров высокого и низкого давлений, ухудшающее массогабаритные показатели;
- незначительное повышение суммарного КПД по сравнению с другими известными решениями.
Задачей предлагаемого решения является повышение КПД энергетической газотурбинной установки за счет замены парогазового цикла на комбинированный цикл с использованием в качестве теплоносителя диссоциирующей смеси.
Для решения поставленной задачи в энергетической газотурбинной установке комбинированного цикла, содержащей газотурбинный блок, в котором последовательно установлены компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камера сгорания топлива, газовая турбина и генератор тока, через который снимаемая с турбины мощность передается потребителю, и замкнутый утилизационный контур, содержащий рекуперативный теплообменник с теплоносителем, взаимодействующим с подаваемыми из газовой турбины выхлопными газами, холодильник и насос, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, в состав
замкнутого утилизационного контура введены регенератор и две утилизационные турбины. При этом теплообменник, первая и вторая утилизационные турбины, холодильник, насос и регенератор установлены последовательно и образуют замкнутую систему (цикл), первая и вторая утилизационные турбины дополнительно соединены с регенератором, а теплоносителем замкнутой системы является диссоциирующая смесь.
При этом газовая турбина может содержать две турбины - высокого и низкого давлений.
2
4
2
4
В качестве диссоциирующей смеси как рабочего тела утилизационного контура может быть использован газ на основе четырехокиси азота NO. Теплотехнические характеристики NO наиболее соответствуют созданию утилизационного контура с учетом параметров выхлопных газов ГТУ.
Кроме того, для передачи дополнительной мощности потребителю энергетическая газотурбинная установка может быть снабжена вторым генератором тока с приводом, подключенным к выходу второй утилизационной турбины замкнутого утилизационного контура.
Примечания.
1). Система называется замкнутой, если теплоноситель - рабочее тело системы - загружается в нее однократно, при подготовке турбины к работе, и в процессе эксплуатации лишь перемещается по замкнутому контуру.
2). Идея применения химически реагирующего, то-есть, диссоциирующего газа в качестве рабочего тела замкнутого газотурбинного цикла основана на изменении газовой постоянной в процессах сжатия и расширения газа. При диссоциации (разложении, распаде) происходит уменьшение молекулярного веса вещества и соответственно затрата энергии. В процессе расширения, при ассоциации, наоборот, происходит выделение энергии. Причем установлено, что коэффициенты теплообмена в процессе
2
4
2
химической реакции NO↔2 NO могут в 7-8 раз превышать значения, имеющие место без химической реакции (см. Исаев С.И. Курс химической термодинамики. - Учебное пособие для вузов. - М., Высшая шк., 1975. - с.104-115).
Введение дополнительных устройств и связей в энергетическую газотурбинную установку, а также замена парогазового цикла на комбинированный замкнутый цикл с использованием диссоциирующего теплоносителя позволяет:
- повысить термодинамические свойства утилизационной системы и увеличить долю энергии, отводимой от ГТУ для использования в силовых турбинах, по сравнению с пароводяным циклом на 10-15%;
- достичь высоких значений коэффициентов теплообмена и концентрированной теплопередачи за счет химических реакций диссоциирующего теплоносителя;
2
4
- исключить из утилизационной системы обязательный в пароводяных системах конденсатор отработанного пара с давлением 0,04 ата, поскольку NO при рабочем давлении конденсации 0,15-0,20 МПа имеет удельный объем в 34-40 раз меньше объема водяного пара при той же температуре;
2
4
- упростить схему регенерации тепла в газожидкостном цикле вследствие того, что NO имеет малую теплоту испарения, которая в 5,5 раз меньше, чем у воды. При этом количества тепла уходящих из турбины газов достаточно не только для нагрева и испарения жидкой фазы теплоносителя, но и для перегрева газа в регенераторе на 100-200°С;
- за счет перечисленного снизить массогабаритные показатели основных устройств системы, особенно теплообменников и регенераторов;
- резко уменьшить тепловыделение в окружающую среду.
На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого решения.
Энергетическая установка содержит газотурбинный блок и замкнутый утилизационный контур. Газотурбинный блок содержит последовательно установленные компрессор низкого давления 1, в который подается наружный воздух, компрессор высокого давления 2, камеру сгорания топлива 3, газовую турбину, состоящую из турбины высокого давления 4 и турбины низкого давления 5, и генератор тока 6, через который снимаемая с турбин 4 и 5 мощность передается потребителю.
Замкнутый утилизационный контур содержит последовательно установленные рекуперативный теплообменник 7 с теплоносителем, первую 8 и вторую 9 утилизационные турбины, холодильник 10, насос 11, обеспечивающий движение теплоносителя в контуре, регенератор 12 и второй генератор тока 13. Генератор 13 подключен к выходу второй утилизационной турбины 9 для передачи мощности турбин 8 и 9 потребителю.
2
4
2
Для обеспечения химической реакции NO↔2NO и обратно регенератор 12 дополнительно соединен с утилизационными турбинами 8 и 9, а рекуперативный теплообменник 7 - с выходом турбины низкого давления 5.
Установка работает следующим образом.
Атмосферный воздух из окружающей среды поступает в компрессор низкого давления 1 и через компрессор высокого давления 2 попадает в камеру сгорания 3, где происходит процесс горения топлива, - например, природного газа. Из камеры 3 полученные при сгорании газы с расчетными значениями температуры и давления поступают в турбину высокого давления 4 и далее - в турбину низкого давления 5. Расположенный на общем валу с турбинами 4 и 5 генератор тока 6 приводится в действие, и полученная мощность ГТУ поступает к потребителю.
2
4
Выхлопные газы ГТУ из турбины низкого давления 5 с температурой 400-560°С подаются в рекуперативный теплообменник 7 для нагрева диссоциирующего теплоносителя замкнутой системы - четырехокиси азота NO.
2
4
2
4
2
Теплоноситель четырехокись азота NО в жидком состоянии при температуре 30-40°С и давлении 0.18-0.22 МПа, из холодильника 10 поступает в насос 11, который сжимает его и повышает давление до 13-17 МПа. Далее теплоноситель поступает в регенератор 12, где он нагревается за счет тепла газов, выходящих из первой утилизационной турбины 8, до 200-250°С. С полученными параметрами уже в газообразном виде четырехокись азота NО попадает в теплообменник 7. Здесь газ рабочего тела получает дополнительное тепло от выхлопных газов газотурбинного блока, диссоциирует с поглощением энергии на диссоциацию до фазы NO и выполняет работу в первой турбине 8.
2
4
2
4
2
4
После турбины 8 в регенераторе 12 теплоноситель трансформируется в газ NО, отдавая часть тепла для подогрева и испарения поступающего в регенератор 12 из насоса 11 теплоносителя в жидкой фазе. Из регенератора 12 теплоноситель в фазе NО поступает на вторую турбину 9 замкнутого утилизационного контура. Турбина 9 работает на теплоносителе в фазе NО. Генератор тока 13 приводится в действие, и полученная мощность утилизационных турбин также поступает к потребителю.
2.
2
4
В первой турбине 8 реализуется энергия двуокиси азота NO Во второй турбине 9 после нагрева от тепла, полученного за счет реакции восстановления, используется теплоноситель четырехокись азота NO. Таким образом реализуется тепло рекомбинации теплоносителя.
Параметры теплоносителя на выходе из турбины 9: температура ~65°С, давление ~0.23-0.24 МПа. Эти параметры могут уточняться и регулироваться применительно к конструктивным особенностям конкретной энергетической установки.
Предлагаемая полезная модель позволяет усовершенствовать цикл рекуперации тепла выхлопных газов и широко использовать описанную энергетическую установку на практике. Замкнутые газожидкостные утилизационные системы целесообразно применять на ГТУ агрегатной мощностью от 1000 кВт и более, имеющих достаточно высокую степень загрузки, - например, на электростанциях, на газо- и нефтеразработках, газо- и нефтемагистралях, морских буровых установках, судах неограниченного района плавания и др.
Суммарный КПД газотурбинной установки с применением замкнутой газожидкостной системы с теплоносителем N2O4 может быть увеличен на 10-15% по сравнению с существующими пароводяными утилизационными системами и достигать величины 65-68%.
К примеру, потенциал уходящих газов ГТУ, установленных в настоящее время ОАО «Газпром» на магистральных трубопроводах, оценивается в 836 млн ГигаДжоулей в год. В теплоснабжении используется только 54,3 млн ГигаДжоулей в год, или 6,5%. Указанные мощности реализованы:
- ГТУ мощностью 16 МВт - 850 единиц;
- ГТУ мощностью 25 МВт - 200 единиц.
Таким образом, предлагаемое в заявке решение позволит дополнительно получить около 30-35 млрд. кВт.ч. электроэнергии в год только в системе ОАО «Газпром».
Кроме того, возможна конструктивная реализация утилизационной системы в виде отдельного устройства с последующим присоединением ее к ГТУ в заданном районе эксплуатации. При этом мощностным рядом утилизационных турбин в пределах 0,5-18 МВт могут быть укомплектованы системы агрегатной мощностью до 30 МВт, что делает выигрыш от предлагаемого решения еще более очевидным.