ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для эффективного использования тепла продуктов сгорания газотурбинных установок вне их с получением электричества, тепла, механической энергии и расширения диапазона их использования.
В газотурбинных установках, газотурбинных двигателях, приводах газоперекачивающих агрегатов природного газа, в топках водогрейных котлов, на теплоэлектростанциях и в сфере быта широко используется газообразное топливо: природный газ, попутный газ (образующийся при переработке нефти), сланцевый газ (ныне широко используемый в США). В последнее время все большее значение придается использованию низкокалорийных топлив, таких как синтез-газ (получаемый при первичной переработке твердых бытовых и промышленных отходов) и биогаз (получаемый при утилизации сточных вод). Однако работа ГТУ традиционной схемы на низкокалорийных топливах связана с повышенным уровнем потерь тепла с продуктами сгорания по сравнению с работой ГТУ традиционных схем на высококалорийном топливе.
Известна газотурбинная установка, приведенная в работе «Мотор Сич. От поршневых - к газотурбинным». - Запорожье. - 2000 г., стр. 127-129.
К
1T
Принцип действия простейшей схемы ГТУ, например, ГТУ ПАЭС-2500 из представленной книги, заключается в сжатии атмосферного воздуха в компрессоре, его направлении в камеру сгорания для смешения с топливом и сжигания полученной топливно-воздушной смеси, которая направляется в турбину. Мощность турбины из-за повышенной температуры газа превосходит мощность воздушного компрессора, что позволяет получать избыточную энергию, в частности, используемую в электрогенераторе. Однако достаточно высокий к.п.д. простейшей схемы ГТУ достигается только при высокой степени повышения полного давления воздуха π в компрессоре и повышении температуры газа перед турбиной T, что обуславливает высокую стоимость ГТУ и снижение ее надежности.
Известна также газотурбинная система по патенту USA №5185997 с приоритетом от 16.02.1993 года. Техническое решение содержит компрессор, камеру сгорания, турбину с электрогенератором, причем компрессор механически связан с турбиной. Однако температура выхлопных газов за турбиной в этой системе достаточно велика, что не позволяет достичь высокой эффективности энергосистемы.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов, по патенту США «Brayton Cycle Yndustrial Cycle Air Compression» №5586429 от 24.12.1996 г и принятое за прототип.
В соответствии с техническим решением по прототипу газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, турбину с электрогенератором, теплообменник с нагреваемым и нагревающим контурами, камеру сгорания, источник топлива и вентили. Компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур теплообменника с входом камеры сгорания. Вход камеры сгорания соединен через вентиль и с источником топлива, а выход - с входом турбины. Выход газовой турбины соединен через нагревающий контур теплообменника с атмосферой. Турбина механически связана с компрессором.
K
1Т
В ГТУ тепло продуктов сгорания в теплообменнике нагревает воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, а турбина работает на продуктах сгорания топлива, поступающих из камеры сгорания. Продукты сгорания топлива из теплообменника выбрасываются в атмосферу. ГТУ этой схемы может иметь более высокий к.п.д. при достаточно низких значениях π и T. Однако работа ГТУ традиционной схемы на низкокалорийных топливах связана с повышенным уровнем потерь тепла с продуктами сгорания по сравнению с работой ГТУ на высококалорийном топливе и снижением кпд установки. Отсюда - недостаточно высокая эффективность и узкий диапазон потребительских свойств ГТУ.
В основу полезной модели для газотурбинной установки положено решение следующих задач:
- повышение КПД при работе на низкокалорийном газообразном топливе;
x
- снижение эмиссии вредных веществ (NO и CO) в продуктах сгорания;
- расширение арсенала технических эффектов, достигаемых при работе установки.
Поставленные задачи решаются тем, что газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, турбину с электрогенератором, теплообменник с нагреваемым и нагревающим контурами, камеру сгорания, источник топлива и вентили. Компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур теплообменника с входом камеры сгорания. Вход камеры сгорания соединен через вентиль и с источником топлива, а выход - с входом турбины. Выход газовой турбины соединен через нагревающий контур теплообменника с атмосферой. Турбина механически связана с компрессором.
Новым в ГТУ является то, что установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину и потребитель мощности, дополнительный нагреваемый контур теплообменника, потребитель горячего воздуха и потребитель продуктов сгорания. Источник топлива с вентилем соединен с входом камеры сгорания через дополнительный нагреваемый контур теплообменника. Вход воздушной турбины соединен через вентиль с выходом нагреваемого контура теплообменника, а выход - через вентиль с потребителем горячего воздуха и дополнительно через вентиль с атмосферой. Выход газовой турбины после нагревающего контура теплообменника соединен с атмосферой двумя путями: через вентиль или через вентиль и потребитель продуктов сгорания. Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- наличие в установке, установленных на отдельном валу воздушной турбины и потребителя мощности, дополнительно с нагреваемым контуром теплообменника, потребителя горячего воздуха и потребителя продуктов сгорания обеспечивает увеличение арсенала используемых потребителей мощности и расширение технических эффектов, получаемых при работе установки;
- соединение источника топлива с вентилем с входом камеры сгорания через дополнительный нагреваемый контур теплообменника позволяет осуществлять предварительный нагрев топлива перед подачей в камеру сгорания от горячего выхлопного газа, что позволяет повысить кпд ГТУ за счет уменьшения количества потребляемого топлива при его подогреве перед подачей в камеру сгорания;
- соединение потребителя продуктов сгорания с выходом из газовой турбины через нагревающий контур теплообменника и вентили обеспечивают возможность дополнительного использования теплосодержания продуктов сгорания с расширением диапазона технических эффектов, получаемых при работе установки;
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и продолжение.
x
- источник топлива может содержать газообразное топливо, генерируемое при утилизации промышленных и бытовых отходов, а также -канализационных стоков и отходов сельскохозяйственного производства. Это заметно улучшает экологические показатели региона, так как позволяет исключить выбросы отходов в окружающую среду. Примером может служить опыт работы Курьяновской очистной станции в Юго-Восточном округе гор. Москвы, где за счет сжигания биогаза, образующегося при переработке канализационных стоков, снижается на 40% внешнее потребление электроэнергии на собственные нужды. Газообразное низкокалорийное топливо, генерируемое при утилизации отходов, позволяет при работе ГТУ на основных и переходных режимах повысить полноту сгорания газовоздушной смеси в камере сгорания и снизить эмиссию вредных веществ (NO и CO) в продуктах сгорания.
Наличие дополнительного газового компрессора с приводом, установленного между источником газообразного топлива с вентилем и дополнительным нагреваемым контуром теплообменника, обеспечивает расширение возможностей ГТУ, например, за счет подачи газообразного топлива в камеру сгорания под повышенным давлением в нагретом виде.
Выполнение потребителя мощности в виде дополнительного электрогенератора обеспечивает возможность получения электроэнергии с параметрами иными, чем параметры основного электрогенератора.
Выполнение потребителя мощности в виде дополнительного воздушного компрессора или насоса расширяет потребительские возможности ГТУ для использования при эксплуатации.
Выполнение потребителя продуктов сгорания в виде котла-утилизатора позволяет нагревать воду для теплофикационных нужд установки.
Наличие эжектора с высоконапорным и низконапорным контурами позволяет регулировать уровень температуры воздуха подаваемого потребителю, что расширяет потребительские свойства установки.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели для газотурбинных установок задачи. Предложенная ГТУ позволяет:
- повысить КПД при работе на низкокалорийном газообразном топливе;
x
- снизить эмиссию вредных веществ (NO и CO) в продуктах сгорания;
- расширить арсенал технических эффектов, получаемых при работе установки.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием ГТУ и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1, 2, где:
на фиг. 1 изображена схема базовой ГТУ;
на фиг. 2 - вариант ГТУ.
Газотурбинная установка (см. фиг. 1) содержит воздушный компрессор 1, газовую турбину 2 и электрогенератор 3, установленные на одном валу, теплообменник 4 с нагревающим и нагреваемым контурами соответственно 5 и 6, камеру сгорания 7, источник топлива 8 и трубопроводные вентили. Где компрессор 1 входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур 6 теплообменника 4 с входом камеры сгорания 7, причем вход камеры сгорания 7 соединен через вентиль 9 и с источником топлива 8, а выход - с входом турбины 2, при этом выход газовой турбины 2 соединен через нагревающий контур 5 теплообменника 4 с атмосферой. Установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину 10 и потребитель мощности 11, дополнительный нагреваемый контур теплообменника 12, потребитель горячего воздуха 13 и потребитель продуктов сгорания 14. Источник топлива 8 с вентилем 9 соединен с входом камеры сгорания 7 через дополнительный нагреваемый контур 12 теплообменника 4. Вход воздушной турбины 10 соединен через вентиль 15 с выходом нагреваемого контура 6 теплообменника 4. Выход воздушной турбины 10 соединен через вентиль 16 с потребителем 13 горячего воздуха и дополнительно через вентиль 17 с атмосферой. Выход газовой турбины 2 после нагревающего контура 5 теплообменника 4 соединен с атмосферой через вентиль 18. Потребитель продуктов сгорания 14 соединен с выходом из турбины 2 через нагревающий контур 5 теплообменника 4 и вентиль 19.
Источник 8 содержит газообразное топливо, генерируемое при утилизации промышленных и бытовых отходов, а также канализационных стоков и отходов сельскохозяйственного производства.
Газотурбинная установка (см. фиг. 2) может дополнительно содержать газовый компрессор 20 с приводом, установленный между источником газообразного топлива 8 с вентилем 9 и нагреваемым контуром 12 теплообменника 4.
Потребитель мощности 11 может быть выполнен в виде дополнительного электрогенератора, дополнительного воздушного компрессора или насоса.
Потребитель 14 продуктов сгорания может быть выполнен в виде котла-утилизатора.
Газотурбинная установка может дополнительно содержать эжектор 21 с высоконапорным 22 и низконапорным 23 контурами, где высоконапорный контур 22 подключен через вентиль 16 к выходу воздушной турбины 10, а низконапорный 23 - соединен с атмосферой, причем выход эжектора связан с потребителем горячего воздуха 13.
Газотурбинная установка работает следующим образом (см. фиг. 1). Перед запуском вентили 9, 15, 17, 19 закрыты, а вентили 16, 18 полностью открыты. Электрогенератор 3 в режиме стартера раскручивает вал с воздушным компрессором 1 и газовой турбиной 2. Компрессор 1 всасывает из атмосферы воздух, сжимает его и направляет через нагреваемый контур 6 теплообменника 4 в камеру сгорания 7. Одновременно открывается вентиль 9 и из источника газообразного топлива 8 через нагреваемый контур 12 теплообменника 4 топливо поступает в камеру сгорания 7, где оно в потоке воздуха сгорает. Образующийся горячий газ поступает в газовую турбину 2, выходя из которой отдает часть тепловой энергии воздуху в нагревающем контуре 5 теплообменника 4 и далее отводится через вентиль 18 в атмосферу. Горячий газ в турбине 2 расширяясь, создает на ее валу мощность, часть которой расходуется на привод воздушного компрессора 1, а оставшаяся часть мощности расходуется на выработку электроэнергии в электрогенераторе 3. После выхода турбокомпрессора на заданный режим открывается вентиль 15 и часть нагретого воздуха из компрессора 1 после нагреваемого контура 6 теплообменника 4 поступает через вентиль 15 в воздушную турбину 10, где, расширяясь, создает на ее валу мощность, потребляемую потребителем мощности 11. Далее нагретый воздух из воздушной турбины 10 поступает через вентиль 16 к потребителю горячего воздуха 13.
Так обеспечивается режим работы, при котором потребитель мощности 11 получает максимальное количество механической энергии, а потребитель горячего воздуха 13 - максимальное количество тепловой энергии.
Работа на пониженных величинах мощности потребителя 10 обеспечивается прикрытием вентиля 15. Работа при пониженной подаче горячего воздуха потребителю 13 обеспечивается прикрытием вентиля 16 и открытием вентиля 17.
Подача продуктов сгорания потребителю 14 осуществляется открытием вентиля 19 и соответствующим прикрытием вентиля 18.
Установка топливного компрессора 20 (см. фиг. 2) между источником газообразного топлива 8 с вентилем 9 и дополнительным нагреваемым контуром 12 теплообменника 4 позволяет при необходимости повышать давление газообразного топлива до давления воздуха в камере сгорания 7.
Установка эжектора 21 (см. фиг. 2) с высоконапорным 22 и низконапорным 23 контурами позволяет понизить уровень температуры воздуха, поступающей потребителю 13 в соответствии с запросами потребителя 13.
U
U
В качестве примера использования предложенной схемы газотурбинной установки рассмотрим газотурбинную установку, работающую на синтез-газе, полученном при газификации твердых бытовых отходов (ТБО). Величина низшей теплотворной способности Hсинтез-газа для ТБО московского мегаполиса может быть принята равной H=5132 кДж/кг.
К
1Т
К
Результаты расчетов ГТУ с нагревом воздуха после компрессора в теплообменнике теплом выхлопного газа при разных значениях степени повышения полного давления воздушного компрессора π показывают, что для температуры газа перед турбиной T=1000 К (допустимая величина для неохлаждаемой газовой турбины с большим ресурсом) оптимальной величиной является π=3.5. При этом оптимальная величина отбора горячего воздуха перед камерой сгорания равна 10%.
При расчете были приняты параметры ГТУ:
- расход воздуха воздушного компрессора GB=20 кг/с,
1Т
- температура газа перед турбиной T=1000 К,
К
-степень повышения полного давления компрессора π=3.5,
-коэффициент термической эффективности теплообменника ε=0.80,
- суммарный коэффициент сохранения полного давления трактов теплообменника σ=0.95,
К
- к.п.д. компрессора π=0.85,
Т
- к.п.д. турбины η=0.9,
Σ
ГТУ
Величина механической мощности отдаваемой потребителям 13 и 14 составляет N=2900 кВт и мощностной к.п.д. установки η=0.345. При этом установка выдает горячий воздух с расходом 2 кг/с и температурой 225°C, т.е. обеспечивает потребителя чистым горячим воздухом с тепловой мощностью в количестве 420 кВт.
Таким образом, использование предложенной схемы позволяет при работе на низкокалорийном топливе получать мощностной к.п.д. того же уровня, что и при работе ГТУ на природном газе.
Вместе с тем, схема ГТУ с отбором воздуха за теплообменником позволила с учетом экономии средств для подогрева воздуха, подаваемого потребителю горячего воздуха 13 для технологических целей, например, для сушки древесины, обогрева чистым воздухом крупных помещений и др. повысить эффективный к.п.д. еще на 5-6%.
Предлагаемое техническое решение может найти полезное применение в первую очередь при использовании биогаза или синтез-газа в качестве топлива для ГТУ. Актуальность предложения подтверждается концептуальным документом «Энергетическая программа России до 2020 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 г. №1234-р. В программе ставится задача «преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии», в том числе на основе утилизации отходов жизнедеятельности людей.