СПОСОБ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ГАЗОТУРБИННЫМ БЛОКОМ
OPERATING METHOD OF POWER PLANT WITH GAS TURBINE UNIT

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при создании высокоэффективных энергетических узлов, работающих на базе газотурбинных двигателей (ГТД), вырабатывающих механическую и тепловую энергию.
Известен способ, реализованный в парогазовой установке контактного типа (патент РФ №2252325, МПК F02C 6/18, опубл. 20.05.2005), включающий впрыск пара в тракт газотурбинной установки. Газотурбинная установка (ГТУ) с энергетическим КПГУ содержит ГТУ с компрессором, камерой сгорания и основной газовой турбиной (ГТ), котел-утилизатор (КУ) с паровыми контурами двух давлений, сообщенными на выходе по пару паропроводами и со входами ГТУ по пару высокого и низкого давления соответственно, на входе греющего теплоносителя (газа) - с выходом ГТУ по газу. КПГУ содержит также газоохладитель-конденсатор, сообщенный на выходе по конденсату через насосы и со входом КУ по конденсату. Для снижения давления газа на выхлопе газовой турбины КПГУ содержит дожимной компрессор, сообщенный на входе по сжимаемому газу с выходом газоохладителя-конденсатора по газу, на выходе по газу - с внешней средой, и газовую турбину перерасширения (ГТП), сообщенную на входе по газу с выходом КУ по газу, на выходе по газу - с входом газоохладителя-конденсатора по газу. При этом ротор ГТП связан (например, установлен на одном валу) с роторами ГТУ и/или дожимного компрессора. Изобретение позволяет повысить кпд КПГУ за счет снижения давления газа на выхлопе 0 газовой турбины без затрат полезной мощности КПГУ
Известен способ, реализованный в парогазовой установке контактного типа (Комбинированная газопаротурбинная установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока /Романов В.И., Кривуц В.А. //Теплоэнергетика, №4, 1996), ближайший по технической сущности и принятый за прототип, включающий сжатие воздуха в компрессоре, подвод и сжигание топлива в камере сгорания, ввод пара в проточную часть газотурбинного блока, образование парогазовой смеси, расширение ее в турбине для преобразования тепловой энергии в механическую, охлаждение парогазовой смеси в теплообменном устройстве, дополнительное охлаждение и конденсацию влаги парогазовой смеси во втором теплообменном устройстве контактного типа, вывод оставшейся охлажденной парогазовой смеси в атмосферу. Однако в известном способе недостаточно эффективно используется энергия топлива и, кроме того, при использовании установки имеет место повышенное тепловое загрязнение окружающей среды.
Технический результат, на достижения которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности использования энергии топлива, снижении теплового загрязнения окружающей среды.
Эффективность использования топлива в энергетических установках определяется двумя кпд:
- кпд установки, определяемым получаемой механической энергией;
- общим кпд, определяемым как полученной механической энергией, так и полезной тепловой энергией, который обычно называется коэффициентом использования топлива.
Технический результат достигается тем, что в способе работы энергетической установки с газотурбинным блоком, включающем сжатие воздуха в компрессоре, подвод и сжигание топлива в камере сгорания, ввод пара в проточную часть газотурбинного блока, образование парогазовой смеси, расширение ее в турбине для преобразования тепловой энергии в механическую, охлаждение парогазовой смеси в теплообменном устройстве, дополнительное охлаждение и конденсация влаги парогазовой смеси во втором теплообменном устройстве, вывод оставшейся охлажденной парогазовой смеси в атмосферу, новым является то, что вводимый пар получают путем нагрева конденсата, полученного в теплообменных устройствах, при давлении, возможно, более низком, но превышающем давление в камере сгорания, до температуры, равной температуре насыщения пара, регулируя расход конденсата, при этом получают максимально возможное количество пара, который в полном объеме вводят в проточную часть газотурбинного блока после камеры сгорания перед турбиной, при этом дополнительное охлаждение и конденсацию влаги парогазовой смеси после первого теплообменного устройства осуществляют во втором теплообменном устройстве бесконтактного типа, конденсируют остатки пара, введенного в проточную часть газотурбинного блока после камеры сгорания, а тепло, полученное в результате конденсации, используют для нагрева холодного теплоносителя до практически значимой температуры путем регулирования его расхода.
Для получения однородного поля температур в проточной части газотурбинного блока и дополнительного повышения давления в нем парогазовую смесь образуют путем смешивания потока продуктов сгорания с потоком вводимого пара путем эжектирования, при этом поток пара является активным, а поток продуктов сгорания пассивным.
На выходах теплообменных устройств по горячему теплоносителю отводят конденсат, а затем его подают на вход первого теплообменного устройства для охлаждения парогазовой смеси и получения вводимого пара, регулируя при помощи нагнетающего устройства величину давления конденсата.
Увеличивают давление конденсата, подаваемого в первый теплообменник, для изменения соотношения между количеством механической энергии, получаемой на турбине, уменьшая ее, и тепловой энергии, получаемой во втором теплообменнике, увеличивая ее и повышая тем самым коэффициент использования топлива в установке.
Отводимый из теплообменников конденсат обрабатывают с целью очистки его от растворимых в нем газов и получения дополнительной товарной продукции.
На фиг.1 представлена принципиальная схема, реализующая предлагаемый способ работы энергетической установки. Установка состоит из газотурбинного двигателя, включающего компрессор 1, камеру сгорания 2, камеру смешения 3, через которую в тракт двигателя подводится насыщенный пар, и силовую турбину 4. Получаемая на турбине 4 избыточная мощность отводится к потребителю (например, электрогенератор или движитель транспортного средства). Выходящий из турбины 4 парогазовый поток направляется на вход (по горячему теплоносителю) теплообменного аппарата 6, где осуществляется нагрев и испарение холодного теплоносителя. Весь полученный пар возвращается в тракт ГТД через камеру смешения 3. На выходе теплообменника 6 по горячему теплоносителю образуется смесь жидкого конденсата и парогаза, которая направляется во влагоотделитель 7, осуществляющий отвод конденсата в бак 10, а парогаза во второй бесконтактный теплообменный аппарат 8 (рекуператор). Назначение рекуператора двоякое: использование остаточной тепловой энергии парогаза для нагрева воды, используемой потребителем, например, для отопления помещений, и конденсации остатка пара, введенного в тракт ГТД через камеру смешения 3. Выходящий из теплообменника 8 поток направляется во влагоотделитель 9, после которого полученный конденсат поступает в бак 10, а оставшийся парогаз - в выходное устройство установки.
Для увеличения механического кпд установки необходимо подать возможно большее количество пара в камеру смешения 3. Это количество лимитируется возможностью получения насыщенного пара в теплообменнике 6, что в свою очередь определяется возможным количеством тепла Q, передаваемым от горячего теплоносителя к холодному. Величина Q определяется соотношением:
ПГГ
ПГХ
Q=m(h-h)К,
ПГГ
ПГХ
где m - расход парогазовой смеси на входе в теплообменник 6; h - удельная энтальпия парогазовой смеси при температуре ее входа в теплообменник 6; h - удельная энтальпия парогазовой смеси при температуре входа холодного теплоносителя в теплообменник 6 с учетом того, что часть теплоносителя при этой температуре находится в жидком состоянии; К=0.8-0.9 - коэффициент, характеризующий эффективность теплообмена в теплообменнике. Приведенное выражение показывает, что величина Q прямо пропорциональна расходу парогазовой смеси, который в свою очередь зависит от величины впрыска пара в камеру смешения 3. При заданной величине Q количество насыщенного пара, которое можно получить в теплообменнике 6, увеличивается с уменьшением давления холодного теплоносителя на входе. Однако это давление для эффективной работы камеры смешения 3 должно быть выше давления в камере сгорания ГТД. Проведенные расчеты показали, что давление холодного теплоносителя на входе в теплообменник 6 должно быть выше давления в камере сгорания ГТД на 15-30%. При этих условиях количество насыщенного пара, получаемое в теплообменнике 6, может составлять до 60% от расхода продуктов сгорания после камеры сгорания 2 ГТД. Такая величина впрыска пара позволяет увеличить мощность, подаваемую потребителю, в 1,8 раза. При этом механический кпд установки увеличивается на 15-16% по сравнению с кпд ГТД без впрыска и составляет 55-56%. Температура горячего теплоносителя на выходе теплообменника 6 составляет 340-345К, что обеспечивает выпадение в конденсат 70-73% пара, введенного в камеру смешения 3.
Камера смешения 3 выполнена в виде эжекторного устройства, в котором пар играет роль активного газа, а продукты сгорания - пассивный газ. Это позволяет использовать избыточную потенциальную энергию пара для увеличения давления парогазовой смеси на входе в турбину 4 и тем самым увеличить съем механической энергии с нее и механический кпд установки примерно на 1%. Второе назначение камеры смешения 3 - выравнивание поля температур парогазовой смеси на входе в турбину 4, что позволяет повысить температуру продуктов сгорания на выходе камеры сгорания 2 без повышения вероятности вывода из строя лопаточных венцов турбины 4.
Теплообменный аппарат 8 в представленных аналогах используется в виде контактного теплообменника. В таких устройствах обязательным условием является равенство температур холодного и горячего теплоносителей на выходе. Для исключения выброса большого количества пара в окружающую воздушную среду эта температура не должна превышать 300-310К. При таких температурах дальнейшее использование тепловой энергии холодного теплоносителя не представляется возможным. Более того, охлаждение холодного теплоносителя перед повторной подачей его на вход теплообменника 8 неизбежно связано с тепловым загрязнением внешней среды. Поэтому более рационально использовать в качестве устройства 8 бесконтактный теплообменник (рекуператор). Температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник 8 равна 340-345К. Расход холодного теплоносителя должен быть подобран так, чтобы обеспечить его температуру на выходе не менее 333К, при этом температура горячего теплоносителя на выходе теплообменника будет не выше 305-310К, что обеспечивает вывод в качестве конденсата всех остатков пара, введенного в камеру смешения 3. Холодный теплоноситель с температурой 333К может быть использован для средств обогрева помещений. При этом коэффициент использования топлива установки достигает величины 94-96%.
Если необходимо изменить соотношение между количеством получаемой механической и тепловой энергии в пользу тепловой энергии, то можно увеличить давление холодного теплоносителя на входе в теплообменник 6 с одновременным уменьшением его расхода.
Впрыск большого количества пара в тракт ГТД и дальнейшая его конденсация в теплообменных аппаратах 6 и 8 способствует растворению в конденсате различных окислов, входящих в состав продуктов сгорания, что приводит к очистке выхлопа установки от вредных веществ и улучшению экологии внешней среды.
Растворение окислов в конденсате приводит к тому, что в баке 10 будет накапливаться кислотная среда. Для нейтрализации этой среды в бак добавляется щелочной раствор, который в результате реакции с кислотой дает соли, которые в дальнейшем можно использовать в качестве химических удобрений.