МНОГОЦЕЛЕВАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MULTI-PURPOSE GAS TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к области газотурбинной техники, а именно к малой теплоэнергетике и установкам для производства электроэнергии и сжатого воздуха, а также паровоздушной смеси для технологических целей. Установка может быть использована, например, для эксплуатации ремонтными предприятиями нефтегазодобывающего комплекса, энергетики, ЖКХ, аварийными службами МЧС и в прочих областях, где есть необходимость в мобильных источниках электроэнергии и сжатого воздуха.
Известны вспомогательные газотурбинные двигатели, применяемые главным образом в авиации, для снабжения электроэнергией бортовых потребителей. Такие двигатели имеют различные конструктивные схемы, но выполнены таким образом, чтобы обеспечивать потребителей сжатым воздухом и электроэнергией. Также известны технические решения на базе этих двигателей для наземного применения, например [1].
Известен [2] опытный образец мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика», выполненный в виде установленного на автомобильном шасси малогабаритного вспомогательного газотурбинного двигателя ТА6А, обеспечивающего одновременное производство электрической энергии (до 40 кВА) и сжатого воздуха (до 1,35 кг/с, при давлении 3,5-3,9 кПа и температуре 205-245°С). Мобильный энергетический комплекс также позволяет использовать выхлопные газы (до 6 кг/с, при температуре 400-500°С). Данные характеристики достигаются при расходе жидкого топлива типа авиационного керосина до 240 кг/ч.
Недостатком известного энергетического комплекса [2] и других аналогичных установок являются относительно низкая электрическая мощность и крайне высокий удельный расход топлива на единицу вырабатываемой электроэнергии (порядка 6 кг/(кВА час)). Другим недостатком также является отсутствие возможности значительного увеличения электрической мощности в условиях, когда нет потребности в отборе сжатого воздуха (без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя).
Целью изобретения является обеспечение возможности производства газотурбинной установкой сжатого воздуха и незначительного количества электроэнергии для собственных нужд; либо относительно большой электрической мощности при незначительном или нулевом расходе сжатого воздуха; либо их совместное производство, а также производство паровоздушной смеси для технологических целей, по необходимости, без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя установки в условиях эксплуатации.
Указанная цель достигается тем, что установка выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха, выполненного в виде вспомогательного газотурбинного двигателя, и модуля паротурбогенератора, со вспомогательными системами модулей, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха. Узел распределения сжатого воздуха выполнен таким образом, чтобы осуществлять дискретное или плавное распределение сжатого воздуха между внешним потребителем или внешней сетью и паротурбогенератором. Для повышения мобильности и обеспечения многофункциональности установки узел распределения сжатого воздуха может быть выполнен быстроразъемным, а функциональные модули генератора сжатого воздуха и турбогенератора со вспомогательными системами модулей установлены на отдельных шасси. Модуль паротурбогенератора может быть выполнен в виде паровоздушной турбины и генератора с кинематической связью между ними. Модуль паротурбогенератора содержит котел-утилизатор, выполненный таким образом, что в нем осуществляется выработка перегретого пара, и камеру смешения, в которой осуществляется смешивание перегретого пара из котла утилизатора со сжатым воздухом. Паровоздушная смесь из камеры смешения поступает в паровоздушную турбину. При этом конструкция модуля паротурбогенератора может быть выполнена по открытой схеме (с выбросом отработанной паровоздушной смеси в атмосферу или использованием ее внешними потребителями в технологических целях) или по более экономичной замкнутой схеме с конденсацией воды из паровоздушной смеси.
На фиг.1 приведена принципиальная схема простейшей газотурбинной установки для производства электроэнергии и сжатого воздуха с открытой схемой модуля паротурбогенератора, на фиг.2 - схема газотурбинной установки с замкнутой схемой модуля паротурбогенератора с конденсацией воды из паровоздушной смеси.
Газотурбинная установка для производства электроэнергии и сжатого воздуха (фиг.1, 2) выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха 1 и модуля паротурбогенератора 2, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха 3.
Модуль генератора сжатого воздуха 1 выполнен в виде вспомогательного газотурбинного двигателя авиационного типа со вспомогательными системами. В составе модуля 1 могут быть использованы, например, двигатель ТА6А разработки НПО «Аэросила», применяемый в составе мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2], или более мощный двигатель ВСУ-10 разработки ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» [3], обеспечивающий одновременное производство электрической энергии (до 40-60 кВА) и сжатого воздуха (до 3,5 кг/с, при давлении 4,5-4,65 кПа и температуре 210-215°С), либо другие аналогичные двигатели. Газотурбинный двигатель модуля 1 может быть выполнен для работы на жидком углеводородном топливе или в многотопливном исполнении (на жидком и газообразном углеводородном топливе).
Модуль паротурбогенератора 2 содержит камеру смешения 4, котел-утилизатор 5, генератор, а также паровоздушную турбину 6 и генератор электрического тока 7, причем между генератором 7 и турбиной 6 существует кинематическая связь, например, через общий вал. В частном случае модуль 2 также может содержать регулируемый узел технологического отбора паровоздушной смеси 8.
Модуль 2, выполненный по замкнутой схеме с конденсацией воды (фиг.2), дополнительно содержит контактный конденсатор водяного пара 9, расходный бак для воды 10 и охладитель 11. Также конструкция модуля 2 включает насосы подачи воды и фильтры, не обозначенные на схеме.
Узел распределения сжатого воздуха 3 выполнен таким образом, что обеспечивает дискретное или плавное изменение расхода сжатого воздуха при положениях заслонки от полностью открытого («откр.» на фиг.1, 2), когда весь расход воздуха направляется от модуля 1 к модулю 2, до полностью закрытого («закр.» на фиг.1, 2), весь расход воздуха направляется от модуля 1 к внешнему потребителю или во внешнюю сеть.
Узел отбора паровоздушной смеси 8 выполнен таким образом, что обеспечивает дискретное или плавное изменение расхода паровоздушной смеси при положениях заслонки от полностью открытого («откр.» на фиг.1, 2), когда весь расход паровоздушной смеси направляется от камеры смешения 4 к паровоздушной турбине 6, до полностью закрытого («закр.» на фиг.1, 2), когда весь расход паровоздушной смеси направляется от камеры смешения 4 к внешнему потребителю, например, для очистки насосно-компрессорных труб от парафиновых отложений.
Газотурбинная установка работает следующим образом. В газотурбинный двигатель модуля 1 подается топливо, за счет сгорания которого обеспечивается работа двигателя. При этом встроенным генератором двигателя вырабатывается электроэнергия мощностью 40-60 кВА, используемая для собственных нужд модулей 1 и 2 газотурбинной установки, а также для внешних потребителей. Газотурбинным двигателем модуля 1 - за счет отбора воздуха от основного компрессора двигателя или за счет работы вспомогательного приводного компрессора, в зависимости от конструктивной схемы двигателя - осуществляется подача сжатого воздуха в узел распределения 3. Выхлопные газы от газотурбинного двигателя отводятся из модуля 1 в котел-утилизатор 5 модуля 2.
При полностью открытой заслонке узла распределения 3 («откр.» на фиг.1, 2) весь расход воздуха направляется от модуля 1 в камеру смешения модуля 2.
В котел-утилизатор 5 модуля 2 также подается в необходимом количестве вода, превращаемая за счет теплоты выхлопных газов, поступающих в котел-утилизатор 5 из модуля 1, в перегретый пар. Перегретый пар из котла-утилизатора 5 с давлением, не менее чем на 10% превышающим давление сжатого воздуха за узлом 3, поступает в камеру смешения 4, где происходит его смешивание со сжатым воздухом с образованием паровоздушной смеси.
Далее паровоздушная смесь поступает в узел отбора 8, где ее необходимое количество может отбираться для технологических нужд. Оставшаяся паровоздушная смесь поступает в паровоздушную турбину 6, от которой осуществляется вращение генератора 7, при этом генератором 7 вырабатывается электрическая энергия.
При более простой открытой схеме модуля 2 (фиг.1) отработанная паровоздушная смесь из турбины 6 выводится в атмосферу за пределы модуля 2, а также может быть использована для технологических нужд.
При замкнутой схеме модуля 2 (фиг.2) отработанная паровоздушная смесь из турбины 6 поступает в контактный конденсатор водяного пара 9, куда также подается вода из бака 10. В конденсаторе 9 за счет орошения водой происходит охлаждение паровоздушной смеси до температуры ниже точки росы водяного пара, при этом происходит выпадение из паровоздушной смеси жидкого конденсата воды. Вода из конденсатора 9, включая собранный конденсат, поступает через охладитель 11 в бак 10, откуда снова направляется в котел-утилизатор 5, а сухой воздух после выпадения конденсата из конденсатора 9 выводится в атмосферу.
Если предполагается использование газотурбинной установки для работ, предполагающих производство только сжатого воздуха (например, для продувки участков трубопроводов после ремонтных работ), возможно отделение модуля 1 от модуля 2 по быстроразъемному стыку распределительного узла 3 и его перемещение к месту эксплуатации на отдельном автономном шасси. Модуль 1 работает аналогично известному мобильному энергетическому комплексу ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2]. После завершения таких работ снова производится сборка установки.
Предлагаемая схема газотурбинной установки обеспечивает ее многофункциональность и гибкость в выборе режимов работы.
Паровоздушная турбина модуля паротурбогенератора может быть изготовлена на базе турбин серийных газотурбинных двигателей после соответствующей конструктивной доводки. При этом в отличие от известных схем газотурбинных установок с впрыском пара в камеру сгорания (так называемый цикл STIG) или в компрессор [4], паровоздушная смесь обладает значительно меньшей коррозионной активностью, чем смесь водяного пара с продуктами сгорания углеводородных топлив, а температура паровоздушной смеси перед паровоздушной турбиной ниже, чем температура перед турбинами известных газотурбинных установок. Это позволяет обеспечить значительно более высокий ресурс модуля паротурбогенератора. Кроме того, из модуля паротурбогенератора установки в атмосферу выбрасывается чистый воздух или паровоздушная смесь, что способствует улучшению экологических характеристик установки.
1. Омскому моторостроительному конструкторскому бюро - 50 лет. - Омск, 2006 г. - 208 с., стр.105.
2. В Уфе изготовлен опытный образец мобильного энергетического комплекса на базе малогабаритного ГТД / Рынок электротехники, №3. 2006 г.. стр.10 (прототип).
3. Двигатели 1994-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные. - М.: ООО «АКС-Конверсия», 2000 г. - 434 с., стр.125.
4. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2000 г., стр.170-172.