СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ВЫПУСКНЫХ ГАЗОВ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК
METHOD TO UTILISE HEAT OF EXHAUST GASES OF GAS-TURBINE PLANTS

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к теплообменному оборудованию, предназначенному для регенерации и утилизации теплоты выпускных газов газотурбинных установок (ГТУ).
Известен способ регенерации и утилизации теплоты выпускных газов ГТУ, заключающийся в последовательном отводе теплоты от газов к цикловому воздуху в регенераторе, а затем - к воде горячего водоснабжения в подогревателе воды (Газовая промышленность, Серия: "Использование газа в народном хозяйстве", Вып.3. "Разработка и внедрение теплоутилизационного оборудования для ГПА"; М:, 1988, 40 с.).
Недостатком известного способа утилизации теплоты является его сравнительно низкая экономичность при сезонном изменении температуры наружного воздуха и резком снижении потребности в "горячем" водоснабжении (Щуровский В.А. Новое поколение ГТУ для магистральных газопроводов. Газотурбинные технологии, июль-август, 1999, стр.11).
При отсутствии потребности в горячей воде газ с температурой 250…320°C не охлаждается в подогревателе воды (ПВ), а через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу. Тем самым снижается эффективность использования топлива, растет гидравлическое сопротивление газового тракта, увеличиваются затраты энергии на собственные нужды ГТУ.
Количественное регулирование расхода газа, поступающего к утилизационному ПВ, заметно сокращает тепловые потери ГТУ, но и в этом случае сброс "излишков" теплоты байпасным газовым потоком в атмосферу сохраняется (а.с. СССР №945628, опубл. 23.07.82, БИ №27; а.с. СССР №1663309, опубл. 15.07.91, БИ №26; а.с. СССР №1124176, опубл. 15.11.84, БИ №42; а.с. СССР №1449831, опубл. 07.01.89, БИ №1; а.с. СССР №1629733, опубл. 23.02.91, БИ №7; а.с. СССР №1511575).
Цель предлагаемого изобретения - повышение эффективности использования топлива в течение всего периода эксплуатации ГТУ.
Указанная цель достигается тем, что при сезонном изменении температуры наружного воздуха и снижении потребности в "горячей" воде внутренний тракт ПВ отключают от прямой и обратной магистралей сетевой воды, воду сливают, внутреннюю поверхность труб каждой секции очищают и осушают горячим сжатым воздухом, поступающим от компрессора, герметизируют внутренний тракт ПВ и подключают его параллельно с воздушным трактом регенератора к магистралям подвода/отвода сжатого воздуха, используют поверхность теплообмена ПВ для подогрева циклового воздуха, который смешивают с цикловым воздухом, нагретым в регенераторе, и направляют полученную смесь в камеру сгорания ГТУ.
При отсоединении ПВ от системы горячего водоснабжения, удалении воды и подаче в него части циклового воздуха последний воспринимает теплоту от выпускных газов и нагревается, то есть теплообменная поверхность ПВ служит для повышения температуры циклового воздуха, подаваемого в камеру сгорания ГТУ. При этом уменьшаются затраты топлива в камере сгорания и увеличивается кпд установки в целом. Кроме того, параллельная раздача воздуха по внутренним трактам регенератора и ПВ способствует снижению гидравлического сопротивления воздушного тракта ГТУ, повышению степени расширения в турбине и росту ее мощности.
При длительной эксплуатации ГТУ ухудшаются характеристики ее узлов, в частности вследствие износа снижается степень повышения давления в компрессоре, что уменьшает кпд агрегата. Вместе с тем при уменьшении степени повышения давления снижается и температура сжатого воздуха, направляемого к теплообменникам, что вызывает рост среднеповерхностного температурного напора, повышение подогрева циклового воздуха и степени регенерации. Рост последней компенсирует некоторое уменьшение кпд из-за снижения степени повышения давления.
Дополнительным эффектом от использования предлагаемого способа является повышение надежности работы ПВ вследствие регулярной очистки его поверхности теплообмена от загрязнений, солеотложений при удалении воды и продувке сжатым воздухом, исключении стояночной коррозии, что способствует продлению ресурса эксплуатации теплообменника.
На чертеже представлена тепловая схема системы утилизации теплоты выпускных газов ГТУ.
Система утилизации состоит из регенератора (1), подогревателя воды (2), дымовой трубы (3), камеры сгорания (4), магистралей подвода/отвода: воды (5, 6), воздуха (7, 8) и газа (9, 10); соединительных трубопроводов (11; 12), оснащенных запорной и регулирующей арматурой (13, 14, 15); ПВ оборудован дренажным (16), воздушным (17) и запорными (18, 19) клапанами.
При работе в обычном (теплофикационном) режиме "горячий" газ от газовой турбины (23) по магистрали (9) проходит последовательно регенератор (1), ПВ (2), охлаждается и по газоходу (10) через дымовую трубу (3) сбрасывается в атмосферу (20), при этом запорные клапаны (13, 15) на соединительных трубопроводах (11, 12) закрыты, регенератор (1) и ПВ (2) работают автономно:
- в регенераторе (1) подогревается цикловой воздух, поступающий от компрессора (24) по магистрали (7) и трубопроводу (25), а отводимый по магистрали (8) и трубопроводу (21) в камеру сгорания (4);
- в ПВ нагревается сетевая вода, поступающая по магистрали подвода (5) через открытый клапан (18) и отводимая по магистрали (6) через открытый клапан (19) к потребителям; причем дренажный (16) и воздушный (17) клапаны, установленные на ПВ закрыты.
При сезонном снижении потребности в горячем водоснабжении внутренний тракт ПВ отключают от магистралей (5, 6) сетевой воды, закрывая клапаны (18, 19); воду сливают через дренажный клапан (16), внутреннюю поверхность труб каждой секции осушают и очищают горячим сжатым воздухом, поступающим от компрессора (24) по трубопроводам (7; 11; 22) при открытых запорном (13), регулирующем (14), воздушном (17) и дренажном (16) клапанах; затем герметизируют ПВ (2), закрывая клапаны (16, 17), и по трубопроводу (12) при открытом запорном клапане (15) направляют часть сжатого воздуха из магистрали (7) по трубопроводам (11; 22) в ПВ, параллельно основной части сжатого воздуха, поступающего в регенератор (1) по трубопроводу (25); в этих теплообменниках (1; 2) воздух нагревается за счет теплоты выпускных газов ГТУ и поступает в общую магистраль (21), где происходит смешение обоих потоков нагретого сжатого воздуха, а образовавшуюся смесь направляют в камеру сгорания (4) ГТУ.
Греющий газ от газовой турбины (как и в обычном режиме) по газоходу (9) направляется в регенератор (1), отдает теплоту сжатому воздуху, охлаждается и поступает в межтрубное пространство ПВ (2), где отдает теплоту воздуху, движущемуся внутри труб, охлаждается и через дымовую трубу (3) сбрасывается в атмосферу (20).
При таком исполнении системы утилизации теплоты нет необходимости в сбросе горячего газа мимо ПВ, полнее используется теплота выпускных газов, повышается коэффициент использования топлива.