ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЦИКЛА С КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЕЕ РАБОТОЙ
ENVIRONMENTALLY SAFE GAS-TURBINE PLANT OF REGENERATIVE CYCLE WITH CATALYTIC COMBUSTION CHAMBER, AND CONTROL METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к газотуроинным энергетическим установкам и транспортным двигателям наземного, морского и воздушного назначения.
x
Разработка современных газотурбинных установок (ГТУ) регенеративного цикла, обеспечивающих, как известно, максимальный уровень топливной экономичности, наталкивается на значительные трудности в организации процесса горения. Эти трудности вызваны ограничениями на выброс (эмиссию) загрязняющих атмосферу веществ и, прежде всего, наиболее токсичных из нормируемых компонентов продуктов сгорания - оксидов азота. Реализация приемлемых выбросов оксидов азота, для традиционных (диффузионных) камер сгорания в ГТУ регенеративного цикла, полностью исключена из-за чрезвычайно высокой температуры в зоне химических реакций. Эта проблема становится особенно острой, когда необходимо снизить эти выбросы ниже современных нормативных уровней, например, для мини-ГТУ децентрализованного или резервного энергоснабжения расположенных, как правило, в непосредственной близости от потребителя энергии (жилых домов, больниц и других объектов социальной структуры). Согласно законодательству ряда промышленно развитых стран с 2014 - 2016 года вводится запрет на сертификацию энергетических и транспортных установок со следами NO и СО в выхлопных газах (например: «автомобильный закон США 2009 года»).
В этих условиях единственным средством решения проблемы является переход к каталитическим камерам сгорания, обладающих уникальными экологическими характеристиками, в частности, в отношении выбросов оксидов азота. Однако эффективное сжигание топлива в этих камерах возможно лишь при достаточно высокой начальной температуре (700-800К) топливовоздушной смеси, поступающей в катализатор. При таких условиях, прежде всего, возникает проблема обеспечения запуска газотурбинной установки с каталитической камерой сгорания, в том числе при пониженных температурах воздуха на входе в установку, т.е. в условиях, в которых эффективное каталитическое окисление топлива заведомо исключено, и приходится использовать традиционные способы сжигания топлива. С другой стороны, практическое применение каталитических камер сгорания осложняется тем, что для любого катализатора, в частности, с учетом его термостойкости, для каждого значения начальной температуры, существует определенный диапазон составов топливовоздушной смеси, в котором реализуется эффективное выгорание этой смеси в катализаторе.
Решению этих проблем применения каталитического окисления топлива в ГТУ посвящено большое число работ, опубликованных в последние годы.
Известна схема простой газотурбинной установки с каталитической камерой сгорания (патент США №6796129, НКИ 60/777, опубл. 28.09.2004). Каталитическая камера сгорания работает в определенном узком диапазоне температур на входе при ограничении процентного содержания топлива в топливовоздушной смеси поступающей на вход каталитического реактора. В данном патенте для решения проблем запуска и обеспечения эффективной работы камеры в широком диапазоне режимов, предлагается:
а) использовать для обеспечения запуска и работы на основных режимах установки вспомогательную камеру сгорания обычного типа, расположенную перед собственно каталитической камерой сгорания (последовательное расположение камер), что позволяет обеспечить необходимую температуру газа на входе в каталитический реактор во всем диапазоне рабочих режимов;
б) снабдить указанную установку регулируемым клапаном перепуска части расхода воздуха, за компрессором, на вход в турбину, с целью поддержания необходимой температуры на выходе из каталитического насадка и обеспечения оптимального состава топливовоздушной смеси в каталитическом реакторе во всем диапазоне рабочих режимов ГТУ.
Первым недостатком схемы, заявленной в рассматриваемом патенте и предполагающей последовательное расположение обычной камеры сгорания и каталитической камеры, является то, что гидравлические сопротивления этих камер сгорания суммируются даже на режимах, на которых одна из них не используется для сжигания топлива, что всегда приводит к снижению кпд установки.
x
Вторым недостатком заявленной схемы, является наличие эмиссии NO и СО в продуктах сгорания первой камеры сгорания. Наличие свободных радикалов азота на входе в каталитическую камеру сгорания не позволяет полностью нейтрализовать их в каталитическом реакторе.
X
Выполненная по заявленной в рассматриваемом патенте схеме стационарная газотурбинная установка фирмы Kawasaki с выносной каталитической камерой сгорания GPB15X подтверждает перечисленные недостатки: мощность 1.5 МВт, максимальный эффективный кпд установки 24%, выбросы вредных веществ NO - 2.5 ppm, CO - 10 ppm, VOC - 2 ppm.
Наличие сажи на выхлопе из диффузионной камеры сгорания приводит к постепенному загрязнению и выходу из строя каталитического насадка. Для его технологичной замены в процессе эксплуатации, в конструкции установки предусмотрена выносная камера сгорания.
Новые возможности для решения проблем, связанных с применением каталитического окисления топлива открываются при реализации этого процесса в газотурбинных установках регенеративного цикла.
В патенте США №6960840, НКИ 290/52, опубл. 01.11.2005, принятым за прототип, предложена схема регенеративной газотурбинной установки с каталитической камерой сгорания. В указанной ГТУ, предусмотрено размещение за газовой турбиной дополнительной камеры сгорания, обеспечивающий запуск газотурбинной установки и предварительный разогрев основной каталитической камеры и теплообменника-рекуператора. В качестве дополнительной камеры сгорания предлагается использовать камеру обычного типа или каталитическую камеру (или различные комбинации камер этих двух типов). Запуск установки, и ее перевод на режим работы, обеспечивающий эффективное каталитическое окисление топлива, за счет реализации необходимой для этого повышенной температуры воздуха за теплообменником-рекуператором и разогрева до этой температуры катализатора, осуществляется при помощи подвода тепла, выделяющегося в дополнительной камере сгорания, к потоку воздуха за компрессором, осуществляемому в теплообменнике-регенераторе.
Основными недостатками данного технического решения является то, что при его реализации вследствие увеличения гидравлического сопротивления части тракта ГТУ за турбиной ухудшится топливная экономичность, установка не может устойчиво работать на режимах холостого хода. Она обладает низким кпд в области пониженных (дроссельных) рабочих режимов и неудовлетворительными экологическими характеристиками в области <70% от номинальной мощности. Поэтому прототип может использоваться только в составе гибридных силовых установок, включающих накопители энергии, существенно повышающих массу и цену ГТУ.
Целью предлагаемого технического решения является повышение эффективности газотурбинной установки (ГТУ) регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, расширение ее функциональных возможностей и повышение надежности работы ГТУ различного назначения, а также обеспечения экологической чистоты.
Для достижения экологической чистоты ГТУ регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, в установке необходимо использовать только каталитическую камеру сгорания, что подтверждается, результатами испытаний.
При испытаниях каталитической камеры в стендовых условиях удалось снизить концентрацию загрязняющих атмосферу компонентов в продуктах сгорания даже по отношению к их концентрации в воздухе, поступающем на вход камеры сгорания, т.е. в газе выходящем из каталитической камеры сгорания, содержалось меньше токсичных компонентов, чем в окружающем воздухе. При этом достижение экологической чистоты ГТУ с каталитической камерой сгорания обеспечивается путем соответствующего регулирования параметров воздуха на входе в камеру сгорания ГТУ. Таким образом, концентрации загрязняющих атмосферу компонентов в выхлопных газах ГТУ с каталитической камерой сгорания могут оказаться в ряде случаев ниже их концентрации в окружающем воздухе, что указано в источнике (см. http://www.avia.ru/pr/?id=l 7786).
Указанная цель достигается тем, что экологически чистая газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, содержащая компрессор, турбину, теплообменник-рекуператор, каталитическую камеру сгорания, соединяющий их газовоздушный канал, топливную систему с форсункой, систему автоматического регулирования и нагрузку, снабжена механизмом для распределения воздуха, устройством изменения крутящего момента на валу нагрузки и устройством поворота направляюще го аппарата осевого компрессора. При этом устройство поворота направляющего аппарата осевого компрессора связано с системой автоматического регулирования, а каталитическая камера сгорания выполнена в виде последовательно расположенных вихревой камеры смешения, объединенной с ней вспомогательной камерой и каталитического реактора. Теплообменник-рекуператор установки выполнен пластинчатым и снабжен устройством для определения температуры пластин, размещенным между ними в горячей части теплообменника-рекуператора. Форсунка топливной системы размещена в газовоздушном канале, соединяющем теплообменник-рекуператор с вихревой камерой смешения. Механизм для распределения воздуха установлен в газовоздушный канале за компрессором, при этом один из выходов механизма для распределения воздуха газодинамически связан с входом теплообменника-рекуператора, а другой выход - с входом вспомогательной камеры сгорания.
Установка дополнительно может быть снабжена свободной силовой турбиной, размещенной за турбиной газогенератора установки и газодинамически связанной с ней, причем свободная силовая турбина снабжена устройством изменения площади горла и поворота соплового аппарата, а ее вал соединен с нагрузкой.
Регулирование осуществляют по закону поддержания заданной мощности и максимального заданного значения температуры пластин матрицы теплообменника-рекуператора.
Способ управления экологически чистой газотурбинной установкой, заключается в предварительном разогреве каталитической камеры, турбины и теплообменника-рекуператора до рабочей температуры и поддержании заданной мощности установки путем изменения расхода топлива, поступающего в каталитическую камеру сгорания. При этом измеряют температуру пластин теплообменника-рекуператора, переводят установку в рабочий режим при достижении температуры пластин теплообменника-рекуператора максимального заданного значения, и одновременно регулируют расход топлива и крутящий момент на валу нагрузки для поддержания заданной мощности установки и максимального заданного значения температуры пластин теплообменника-рекуператора.
Дополнительно измеряют частоту вращения компрессора, температуру газа за турбиной и температуру окружающего воздуха и по результатам измерений дополнительно регулируют направляющие аппараты компрессора в зависимости от приведенной частоты вращения компрессора и соотношения температуры газа за турбиной и температуры окружающего воздуха.
При использовании в установке свободной силовой турбины дополнительно регулируют площадь горла силовой турбины с поворотом ее соплового аппарата.
На фиг.1 представлена схема одновальной экологически чистой газотурбинной установки регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания.
На фиг.2 представлена схема экологически чистой газотурбинной установки регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания со свободной силовой турбиной.
На фиг.3 представлены графики, отражающие протекание рабочих режимов на характеристике нерегулируемого и регулируемого компрессоров и график эффективного кпд для четырех двигателей с различными системами управления. При этом, на фиг.3а показано протекание линий рабочих режимов на характеристике нерегулируемого компрессора. На фиг.3б показано протекание линий рабочих режимов на характеристике компрессора регулируемого поворотом спрямляющих аппаратов. На фиг.3с показано протекание линий эффективного кпд для четырех двигателей с различными системами управления, с одинаковыми компрессорами, выполненными с нерегулируемой и регулируемой проточной частью и одинаковыми максимальными температурами газа
Газотурбинная экологически чистая ГТУ (фиг.1) содержит компрессор 1, турбину 2, теплообменник-рекуператор 3, каталитическую камеру 4 сгорания, соединяющие их газо-воздушные каналы 6, нагрузку 5 (например, электрический генератор), топливную систему и систему автоматического регулирования (не показано). Компрессор 1 снабжен устройством 7 поворота направляющих аппаратов ступеней компрессора. Каталитическая камера 4 сгорания содержит последовательно установленные вихревую камеру 9 смешения и каталитический реактор 10. Вихревая камера 9 смешения на входе связана с теплообменником-рекуператором 3, а на выходе с каталитическим реактором 10. В канале 6, связывающем теплообменник-рекуператор 3 с вихревой камерой 9 смешения, расположена форсунка 8 топливной системы, между пластинами в теплообменнике-рекуператоре 3 размещены устройства определения максимальной температуры пластин. Пластины теплообменника-рекуператора 3 выполнены с поверхностями Френкеля.
Для обеспечения прогрева установки перед запуском в канале 6 воздушного тракта за компрессором 1 перед теплообменником-рекуператором 3 установлен регулирующий орган 11, распределяющий воздух между каналами 6 на входе в теплообменник-рекуператор 3 и на входе во вспомогательную камеру 12 сгорания, объединенную с вихревой камерой 9 смешения. Регулирующий орган 11 управляется системой автоматического регулирования (не показано) газотурбинной установки.
Объем вихревой камеры 9, определяемый площадью входа каталитического реактора 10 и наружным диаметром турбины 2, всегда больше объема смесительного участка диффузионной камеры сгорания для аналогичного двигателя. Поэтому вихревая камера 9 представляется наилучшим устройством для гомогенизации топливовоздушной смеси на входе в каталитический реактор 10.
Для больших ГТУ, с большим полярным моментом на валу электрогенератора, влияющим на приемистость установки, целесообразно использовать дополнительную свободную силовую турбину 13, приводящую нагрузку 5 (см. фиг.2). Регулирование ГТУ осуществляется при помощи устройства 14 изменения площади горла и угла выхода потока сопловых аппаратов, установленных в ступенях свободной силовой турбины 13.
Экологически чистая газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания работает следующим образом.
После прогрева газотурбинной установки и выхода на рабочий режим каталитического реактора горячий воздух из теплообменника-рекуператора 3 поступает в связывающий их воздушный канал 6, где через форсунки 8 в воздух подается топливо (см. фиг.1). Воздух из теплообменника-рекуператора 3 поступает с низкими скоростями и высокой температурной неравномерностью. Эффективность смешения топлива и воздуха в канале 6 низкая, поэтому смесь воздуха и топлива дополнительно перемешивается в вихревой камере 9.
x
x
Температура топливовоздушной смеси на входе в каталитический реактор 10 должна быть достаточна для устойчивого окисления топлива в воздушной среде при наличии катализатора. Толщина каталитического слоя реактора 10 рассчитывается на режим максимальной мощности установки, что соответствует максимальному расходу воздуха и топлива, при максимальной температуре газа и практически постоянной температуре воздуха на входе и при условии полного сжигания топлива и отсутствии эмиссии вредных веществ NO и СО. При дросселировании установка регулируется поддержанием постоянной максимальной температуры пластин матрицы теплообменника-рекуператора 3. При этом температура топливовоздушной смеси на входе в каталитический реактор 10 уменьшается <6-8°С, а топливовоздушная смесь обедняется, что гарантирует высокую полноту сгорания, отсутствие эмиссии NO и СО на всех режимах работы двигателя.
Прогрев газотурбинной установки осуществляется раскруткой ротора компрессора 1 стартером электрогенератора. При этом открывается регулируемый клапан 11 и часть расхода воздуха за компрессором 1 поступает во вспомогательную диффузионную камеру 12 сгорания, совмещенную с вихревой камерой 9. Кроме горячего газа в камеру поступает топливовоздушная смесь из канала соединяющего теплообменник-рекуператор 3 с вихревой камерой 9. Малые скорости топливогазовой смеси, малые концентрации топлива и большие объемы гарантируют отсутствие горения в вихревой камере 9, выравнивание температуры и концентрации топлива на входе в каталитический реактор 10. Дожигание в каталитическом реакторе 10 позволяет снизить эмиссию вредных веществ. Через теплообменник-рекуператор 3 проходит только часть подогреваемого воздуха, что существенно уменьшает время прогрева горячей части установки.
При достижении значения температуры топливовоздушной смеси на входе в вихревую камеру 9 смешения больше температуры запуска каталитического реактора вспомогательная камера 12 сгорания отключается, а подача топлива через форсунки 8 увеличивается. С этого момента подогрев в установке осуществляется только с помощью каталитического реактора, что обеспечивает экологическую чистоту на всех режимах работы установки, включая режимы запуска и холостого хода.
Работа экологически чистой газотурбинной установки осуществляют по закону управления, обеспечивающему поддержание заданной мощности и поддержание постоянной заданной максимальной температуры пластин матрицы теплообменника-рекуператора 3. В качестве регулируемых параметров используется расход топлива через форсунки 8 каталитической камеры 4 сгорания и крутящий момент на валу нагрузки 5. Обеспечение газодинамической устойчивости компрессора 1 осуществляют регулированием направляющих аппаратов ступеней компрессора посредством устройства 7 в зависимости от приведенной частоты вращения компрессора 1 и соотношения температуры газа за турбиной 2 к температуре воздуха окружающей атмосферы. Изменение расхода топлива приводит к изменению температуры газа перед турбиной, мощности турбины 2, частоты вращения турбокомпрессора, степени повышения давления в компрессоре 1, расхода воздуха, проходящего через установку, перепада давления в турбине, температур воздуха и газа на входе в теплообменник рекуператор. Для поддержания максимальной заданной температуры пластин теплообменника-рекуператора 3 необходимо изменение мощности отбираемой нагрузкой, что достигается системой управления за счет изменения крутящего момента на валу нагрузки 5. Изменение расхода топлива, при выбранной системе управления, всегда приводит к изменению мощности ГТУ.
Работа экологически чистой газотурбинной установки со свободной силовой турбиной 13 осуществляют по закону поддержания заданной мощности, постоянной максимальной заданной температуры пластин матрицы теплообменника-рекуператора 3 и частоты вращения силовой турбины 13. Регулирование частоты вращения силовой турбины 13 при изменении мощности осуществляют изменением крутящего момента на валу нагрузки 5. Поддержание заданной мощности и постоянной максимальной температуры пластин теплообменника-рекуператора 3 осуществляют регулированием расхода топлива и площади горла сопловых аппаратов 14 ступеней силовой турбины 13. Изменение площадей горла сопловых аппаратов 14 ступеней свободной силовой турбины 13 приводит к изменению перепада давлений на турбине 2, ее мощности, степени повышения давления в компрессоре 1, расхода воздуха, проходящего через установку. При поддержании постоянной максимальной температуры пластин теплообменника-рекуператора 3 перепада давления в турбинах 2 и 13 и изменении расхода воздуха в компрессоре 1 система управления изменяет расход топлива. Изменение расхода топлива через форсунку 8 приводит к изменению температуры газа на выходе из каталитической камеры сгорания. Таким образом, изменение площади горла сопловых аппаратов свободной силовой турбины всегда приводит к изменению мощности ГТУ.
Н
Для пояснения возможности достижения заявленного технического эффекта рассмотрим идеальный цикл транспортной газотурбинной установки с регенерацией тепла за турбиной, у которого нет гидравлических потерь в узлах проточной части, кпд компрессора и турбины равны единице, эффективность теплообменника рекуператора равна единице. Транспортная установка перемещается со скоростью М в условиях атмосферы i*H.
кс
т
к
H
т*
т
т
Н
Н
Н
Работа цикла: L=(i*-i*)-(i*-i*)=Пi*-П/П*i*+i*
кс
т
т*
т
т
Подведенное тепло: Q=i*-i*=Пi*-i*
e
т
н
т
кпд идеального цикла: η=1-1/I*(П-П)/(П-1)
е
кпд идеального цикла стационарной установки: η=1-1/I
x
где: i* - полная энтальпия рабочего тела в сечении «х» проточной части
т
H
вх кс
Н
вх кс
Н
I=i*/i=i*/i=i* /i
т
кс
т
П=i*/i*
Н
*
Н
2
П=1+(к-1)/2М
к - показатель адиабаты для воздуха.
Сечение «х» проточной части:
кс - выход камеры сгорания,
т - сечение за турбиной,
к - сечение за камерой сгорания,
н - атмосфера,
вх кс - вход в камеру сгорания.
Для уточнения, что является критерием подобия регенеративного цикла, рассмотрим реальный регенеративный цикл при условии равенства расходов воздуха и газа. Максимальный эффективный кпд реального цикла определяется формулой:
е мах
11
12
Т
К
1
Т
11
η=1-(ε+ε-1)/(αП/Пl*-(α+1)П(1-ε)
11
где: ε - эффективность теплообменника рекуператора по воздуху;
12
ε- эффективность теплообменника рекуператора по газу;
1
вх кс
Н
I*=i*/i*
к
к
H
П=i*/i*;
т
кс
т
П=i*/i*,
к - показатель адиабаты для воздуха;
г
к - показатель адиабаты для газа;
*
г
к
т
г
α=к(к-1)*η*η/(к-1)/к.
Т
К
Выражение αП/П - определяется только гидравлическими потерями по тракту установки и кпд компрессора и турбины. Второй член знаменателя при высокой эффективности рекуператора мал. Поэтому анализ формулы кпд цикла показал, что основным критерием подобия, для силовых установок с регенерацией тепла, является соотношение полной энтальпии воздуха на входе в камеру сгорания к полной энтальпии воздуха окружающей среды. Поэтому работа двигателя, при сохранении максимальной энтальпии газа на входе в теплообменник-рекуператор, ограниченной его конструкционной прочностью, обеспечивает максимальную экономичность двигателя на всех режимах работы, что при высокой эффективности теплообменника рекуператора приблизительно соответствует постоянной максимальной температуре пластин теплообменника-рекуператора.
x
Каталитическая камера сгорания обеспечивает высокие полноты сгорания, отсутствие образования NO и СО в достаточно узком диапазоне входных температур. Поэтому управление установки при постоянной максимальной температуре пластин теплообменника-рекуператора во всем диапазоне рабочих режимов газотурбинной установки гарантирует эффективную работу каталитического реактора.
X
Наличие свободных радикалов азота образуемых в пилотной горелке диффузионной (обычной) камеры сгорания при температурах выше 2000К, приводит к образованию NO, полное разрушение такого соединения в каталитическом реакторе практически невозможно, поэтому на рабочих режимах экологически чистой газотурбинной установки могут использоваться только каталитические камеры сгорания. Использование последовательной схемы (диффузионная камера сгорания; вихревая камера смешения, обеспечивающая гомогенизацию газотопливной смеси и каталитическая камера сгорания) целесообразно только для прогрева горячей части при подготовке силовой установки к запуску.
Получается, что существование (управляемость) и экономичность силовой установки, а также работоспособность экологически чистой каталитической камеры сгорания гарантированно обеспечиваются при постоянной максимальной температуре пластин теплообменника-рекуператора во всем диапазоне рабочих режимов газотурбинной установки.
Проанализируем два закона управления двигателей, показанные на фиг.3, с нерегулируемым и регулируемым осевыми компрессорами: закон обеспечивающий совпадение линий рабочих режимов установки и максимальных кпд компрессора 1, 3 (прототипа) и предлагаемый в заявке теоретический оптимальный закон управления при поддержании постоянной заданной температуры матрицы теплообменника 2, 4.
На фиг.3а показано протекание линий рабочих режимов на характеристике не регулируемого компрессора. На фиг.3б показано протекание линий рабочих режимов на характеристике компрессора регулируемого поворотом спрямляющих аппаратов.
Протекание линий эффективного кпд для четырех двигателей с различными системами управления, с одинаковыми компрессорами, выполненными с не регулируемой и регулируемой проточной частью, и одинаковыми максимальными температурами газа показано на фиг.3с.
Приведенный анализ дроссельных характеристик силовых установок, выполненных по схеме прототипа 1 и 3 (фиг.3) показал следующие недостатки прототипа:
а - силовые установки не могут автономно использоваться, они не могут устойчиво работать на режимах холостого хода;
в - плохие значения кпд в области <30% от номинальной мощности  представляются существенным ограничением их использования,
с - плохие экологические характеристики в области <70% от номинальной мощности резко уменьшают их конкурентоспособность при использовании в населенных пунктах и сельском хозяйстве, загрязнение теплообменника рекуператора существенно увеличивает эксплуатационные расходы.
Поэтому они могут использоваться только в составе гибридных силовых установок, включающих накопители энергии. Такой подход к проектированию силовых установок приводит к существенному увеличению их массы и стоимости.
Реализация предложенного технического решения (кривая 4, на фиг.3) позволит создавать экологически чистые газотурбинные установки с различными техническими параметрами, удовлетворяющие жестким требованиям по топливной экономичности, приемистости, безопасности, надежности, эксплуатационной технологичности, общетехническому ресурсу и стоимости жизненного цикла.