СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
IMPROVEMENT METHOD OF EFFICIENT OPERATION OF GAS TURBINE PLANT

Изобретение относится к области энергетики, в частности к газотурбинным установкам (ГТУ), работающим на твердом, жидком или газообразном топливе, в том числе на продуктах газификации угля, и является способом повышения эффективности работы газотурбинных установок за счет глубокого охлаждения сжатого в турбокомпрессоре воздуха с использованием отрицательных температур окружающей среды.
Все способы газотурбинных установок на органическом топливе основаны на использовании воздуха с температурой окружающей среды, но в зимних условиях полезные свойства низких температур используются не в полной мере, т.к. для охлаждения сжатого в компрессоре воздуха применяется в основном вода, которая из-за кристаллизации ее не может охлаждать воздух с отрицательной температурой.
Известен способ испарительного охлаждения сжимаемого воздуха, или, что то же самое, способ влажного сжатия воздуха применительно к газотурбинной установке на угольном топливе, где предусмотрена тонкая очистка газифицированного топлива. (А.Е. Шейдлин, С.А. Медин, П.П. Иванов, А.А. Белоглазов. Термодинамика газотурбинной установки на угле с впрыском воды в компрессор. Перспективы энергетики. Т 5, с.135-142, 2002 г.). В работе приведены результаты оптимизационных расчетов схемы ГТУ с регенерацией тепла. В приведенных таблицах указаны параметры всех элементов схемы. Особое внимание уделено термодинамическому описанию процесса сжатия водо-воздушной смеси. Как показывают расчеты, испарительное охлаждение в компрессоре имеет существенный недостаток, например сжатый воздух до 2,5 МПа от температуры окружающей среды 292,2 К нельзя охладить более чем на 111,9 К, т.е. до 137,1°С. На такое сжатие по сравнению с изотермическим требуется дополнительная энергия. Кроме того, по сравнению с изотермическим сжатием регенерация тепла может быть осуществлена лишь частично, т.е. не в полной мере. Еще менее эффективно испарительное охлаждение при снижении температуры окружающей среды, тем более зимой. Испарительное охлаждение возможно лишь до полного насыщения воздуха влагой до температуры точки росы, а при понижении температуры, например температуры окружающей среды, понижается и температура точки росы. Кроме того, повышение влажности засасываемого воздуха турбокомпрессором также снижает эффект испарительного охлаждения. Еще одним существенным недостатком применяемого в современных ГТУ этого способа является безвозвратная потеря впрыскиваемой химически очищенной воды и вместе с ней потеря тепла скрытой теплоты парообразования, выбрасываемой вместе с дымовыми газами.
Известен способ охлаждения потока газа в многоступенчатом компрессоре (Патент РФ на изобретение 2069276, МПК 02С 3/30, 2006 г.), где предложено улучшение испаряемости капель в газодинамическом тракте благодаря их более мелкому дроблению за счет подмешивания к воде хладагента с температурой кипения ниже температуры кипения воды в количестве 0,6% от веса воды. Данный способ направлен, в основном, на устранение крупных более 20 мкм капель при впрыске в проточную часть турбокомпрессора. Существенным недостатком данного способа является безвозвратная потеря массы воды и ее присадок. Кроме указанной потери массы теряется еще скрытая теплота парообразования воды. Возврат указанных потерь является весьма сложным техническим решением.
В патенте на изобретение RU 2153601, МПК 02С 3/23, 2000 г. представлен способ контактно-капельного безыспарительного охлаждения сжатого воздуха путем впрыска распыленной воды в проточную часть винтового компрессора. Винтовой компрессор (безлопаточный) в принципе неработоспособен без впрыска в проточную его часть какой-либо жидкости. Обычно впрыскивают вязкую жидкость, например масло. Масло заполняет технологические зазоры, за счет чего уменьшается или практически исключается обратный переток сжатого газа. Поскольку впрыскивается вода менее вязкая, чем масло, то в данном патенте представлен модернизированный винтовой компрессор с уменьшенными технологическими зазорами. Благодаря тому, что винтовой компрессор не имеет лопаток, которые при впрыске жидкости подвержены эрозионному износу, то винтовой компрессор рассчитан так, что впрыскивание охлаждающей воды не вредит его работоспособности, и впрыск осуществляют так, чтобы не происходило никакого испарения. В этом случае охлаждающая вода не расходуется, она подается в таком количестве и с такой температурой, что температура газа на выходе может быть меньше температуры газа на входе или равна ей, т.е. достигается практически изотермическое сжатие. Несмотря на благоприятные возможности охлаждения, винтовые компрессоры имеют низкий внутренний относительный (или адиабатный) КПД, кроме того имеют ограниченную производительность, что препятствует их применению в энергетике.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ охлаждения сжатого воздуха в турбокомпрессоре, который реализован в известной газотурбинной установке (Патент РФ 2278286, МПК 02С 3/30, 2006 г.). Данная ГТУ содержит газификатор угля, систему очистки продуктов газификации, камеру сгорания, газовую турбину, по крайней мере, один рекуперативный теплообменник и воздушный компрессор с системой подачи воды в его газовый тракт. В этой газотурбинной установке установлен воздушный многоступенчатый турбокомпрессор, снабженный, по крайней мере, одной смесительной камерой, установленной между корпусами различных ступеней и/или на выходе корпуса последней ступени компрессора перед теплообменником на выхлопе из газовой турбины, выполненной в виде кольцевой цилиндрической полости, размещенной в газовом тракте многоступенчатого компрессора симметрично относительно его оси. Размер смесительной камеры выполнен увеличенным в радиальном направлении по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени компрессора, а смесительная камера снабжена средствами впрыска воды, дренирования неиспарившейся воды и средствами для организации вихревого течения паровоздушного потока в направлении вращения лопаточного аппарата компрессора, выполненными преимущественно в виде направляющих элементов в форме ленточных спиралей. Камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, при этом выход многоступенчатого компрессора соединен через рекуперативный теплообменник на выходе газовой турбины через запорный вентиль с входом камеры сгорания. В этом устройстве используется испарительный способ охлаждения сжатого в компрессоре воздуха, поступающего из окружающей среды. Охлаждение производится водой, которая постоянно подается в смесительные камеры компрессора. Основная часть воды испаряется и выносится в газовую турбину, остальная дренируется и используется в газообразовательном процессе газогенератора.
Целью предложенного технического решения является повышение эффективности газотурбинной установки за счет снижения температуры изобарного охлаждения сжатого воздуха в смесительных камерах турбокомпрессора, которое осуществляют путем подачи в смесительные камеры незамерзающего при минусовых температурах окружающей среды антифриза в виде капель размером 20-500 мкм. Данное изобретение применимо для ГТУ, работающих на твердом, жидком или газообразном топливе.
Технический результат достигается при реализации данного способа охлаждения сжатого в турбокомпрессоре газотурбинной установки воздуха, включающий ступенчатое сжатие воздуха в многоступенчатом турбокомпрессоре, подачу антифриза в виде капель размером 20-500 мкм в смесительные камеры турбокомпрессора и полный вывод антифриза из смесительных камер с помощью сепарационно-вихревых устройств после безыспарительного нагрева антифриза, а выведенный из смесительных камер нагретый антифриз направляют в повторный оборот, предварительно охлаждая его воздухом окружающей среды в автономном теплообменном устройстве до температуры выше, чем температура окружающей среды на 1-8°C, при этом безыспарительность охлаждения обеспечивается расходом поступающего в смесительные камеры антифриза при выполнении условия:
d вых.в ≤d вх.в,
где d вых.в - влагосодержание воздуха на выходе из смесительной камеры
d вх.в - влагосодержание воздуха на входе в смесительную камеру;
d - отношение веса влаги во влажном воздухе к весу сухого воздуха в том же объеме, г/кг,
при этом регулируя расход антифриза и поддерживая безыспарительность охлаждения во всех камерах, добиваются практически изотермического процесса, контролируя и поддерживая отклонения температур в конце первой и последней смесительных камер в пределах 0-10°C.
В качестве охлаждающей жидкости могут быть использованы антифризы, растворяющиеся в воде и имеющие температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех давлениях, например 20-60%-ный раствор этиленгликоля или пропиленгликоля.
При работе газотурбинной установки на угольном топливе в ней используется автономная регулируемая подача воды в газификатор, пропускаемая через регулировочный вентиль в регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник, предназначенный для охлаждения выработанного в газификаторе синтез-газа перед фильтром тонкой очистки, при этом поддерживают температуру синтез-газа перед фильтром тонкой очистки не более 870 К, а температуру на выходе газификатора, не более 1123 К.
Процесс охлаждения сжатого воздуха по данному способу происходит следующим образом. При работе газотурбинной установки поступающий в турбокомпрессор наружный воздух с температурой окружающей среды последовательно претерпевает ступенчатое сжатие в многоступенчатом турбокомпрессоре. В смесительные камеры турбокомпрессора подается антифриз в капельном виде (размер капель составляет 20-500 мкм) и под воздействием вихревых устройств капли, смешиваясь со сжатым воздухом, охлаждают его. Расход антифриза устанавливается с помощью регулирующих вентилей впрыска и циркуляционного насоса таким, чтобы в охладительных камерах обеспечить безыспарительный режим охлаждения воздуха, при этом осуществляется контроль и поддерживается отклонение температуры воздуха в пределах 0-10°C в конце первой и последней смесительных камер. Нагретый антифриз в сепарационных устройствах смесительных камер полностью отделяется от воздуха и через вентили вывода антифриз направляется в замкнутый гидравлический контур для повторного использования, в котором он под действием циркуляционного насоса пропускается через теплообменное устройство, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, и поступает повторно в смесительные камеры.
Для иллюстрации эффективности работы приведенной схемы газотурбинной установки на природном газе были проведены расчеты для температуры окружающей среды -35°C.
Температура и давление на входе составляет соответственно 1600 К и 0,89 МПа. Внутренний КПД газовой турбины 0,89, а компрессора 0,86. Тепловой напор при регенерации тепла принят равным 37°C. Для безыспарительного охлаждения сжатого воздуха в охладительных камерах принят 60%-ный раствор этиленгликоля в химически очищенной воде (антифриз). Воздух в охладительных камерах охлаждается с 300 К до 251 К за счет нагрева антифриза на 8 градусов. На указанное охлаждение 1 кг воздуха расходуется 1,75 кг антифриза для одной камеры охлаждения.
Из расчетов следует, что, например, для хладагента этиленгликоля, растворенного в воде с концентрацией хладагента 60%, КПД установки составил 66%, мощность на 1 кг рабочего тела 0,468 МВт. Температура выхлопа -337 К (64°C), что в настоящее время считается оптимальным температурным уровнем выброса дымовых газов в атмосферу.
Пример реализации предлагаемого способа представлен на схеме газотурбинной установки (фиг.1).
Работа газотурбинной установки возможна на газообразном и жидком топливе, а также при использовании синтез-газа, вырабатываемого в газификаторе угля 1, из которого полученный синтез-газ охлаждают в теплообменнике рекуперативного типа 2, очищают с помощью фильтра тонкой очистки 3 и подают в камеру сгорания 4 для последующего использования продуктов сгорания в газовой турбине 5. Автономный трубопровод 6, по которому подается вода от вентиля 7 в газогенератор 1 для образования синтез-газа, включен только при использовании угля в качестве топлива. Другой компонент топливной смеси - воздух поступает из турбокомпрессора 8 в камеру сгорания 4 только после его нагрева в теплообменнике 2. Перед фильтром тонкой очистки 3 и на выходе газификатора 1 установлены контрольные приборы (на фиг.1 не показаны) для измерения температуры синтез-газа.
При работе газотурбинной установки происходит засасывание наружного воздуха турбокомпрессором 8 с температурой окружающей среды и последующее ступенчатое сжатие в нем. В смесительных камерах 9 путем подачи антифриза в капельном виде (размер капель составляет 20-500 мкм) под воздействием вихревых устройств капли, смешиваясь со сжатым воздухом, охлаждают его. Подача и расход антифриза устанавливается с помощью регулирующих вентилей впрыска 10 и циркуляционного насоса 11 таким, чтобы в смесительных камерах 9 обеспечить безыспарительный режим охлаждения воздуха, при этом осуществляется контроль и поддерживается отклонение температуры воздуха в пределах 0-10°C в конце первой и последней смесительных камер 9. Нагретый антифриз в сепарационных устройствах смесительных камер 9 полностью отделяется от воздуха и через вентили вывода 12 антифриз направляется в замкнутый гидравлический контур 13 для повторного использования через теплообменное устройство 14, предназначенное для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов 15 до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, после чего антифриз поступает в смесительные камеры 9 через вентили впрыска 10. Учитывая то, что возможно частичное испарение воды из антифриза и конденсация воды из влажного воздуха окружающей среды в смесительных камерах 9 и в теплообменном устройстве 14, в них предусмотрена система контроля (на фиг.1 не показана) уровня и концентрации раствора антифриза, а также применены вспомогательные средства поддержания требуемой концентрации антифриза в виде линии подпитки теплообменного устройства 14 водой с запорным вентилем 16, линии подпитки антифризом с запорным вентилем 17, а также линия слива антифриза из теплообменного устройства 14 через вентиль 18 в резервную емкость 19 и линия подачи антифриза из резервной емкости 19 через вентиль 20 в гидравлический контур 13. При необходимости слив антифриза из теплообменного устройства 14 в гидравлический контур 13 производится прямым путем через вентиль 21.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает высокоэкономичную выработку электроэнергии. Особенно целесообразно его применение на территориях с холодным зимним климатом.