Когенерационная газотурбинная энергетическая установка
COGENERATION GAS-TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при разработке отопительных газотурбинных энергетических установок для теплоцентрали (ГТУ-ТЭЦ).
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Патент РФ №160537, МПК F02C 6/18, опубл. 20.03.2016), содержащая компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, котел - утилизатор, имеющие между собой газовую связь, электрогенератор, подключенный к компрессору, промежуточный теплообменник, насос теплообменника, сетевой насос, пиковый водогрейный котел. Котел - утилизатор выполнен в виде двух газоводяных теплообменников.
Недостатком настоящего технического решения является низкая выработка электроэнергии на тепловом потреблении при прохождении годовых графиков тепловой и электрической нагрузок.
Известна когенерационная газотурбинная энергетическая установка (Патент РФ №2528214, МПК F02C 6/18, опубл. 10.09.2014), содержащая компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления, газовую турбину низкого давления, два электрических генератора, теплофикационное устройство, теплообменное устройство.
Недостатком данного технического решения является низкая выработка электроэнергии на тепловом потреблении при прохождении годовых графиков тепловой и электрической нагрузок.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является когенерационная газотурбинная энергетическая установка, описанная в учебном пособии «Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций» (С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов, Москва: «Издательство МЭИ», 2002, с. 433, рис. 10.2., в), которая содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления, газоводяной теплообменник, имеющие между собой газовую связь, камеру дожигания топлива, газовый шибер, электрогенератор, подсоединенный к компрессору, сетевой насос.
Недостатком данного технического решения является низкая выработка электроэнергии на тепловом потреблении при прохождении годовых графиков тепловой и электрической нагрузок.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в повышении выработки электроэнергии на тепловом потреблении при прохождении годовых графиков тепловой и электрической нагрузок.
Технический результат заключается в повышении тепловой экономичности при совместном прохождении графиков тепловой и электрической нагрузок.
Это достигается тем, что предлагаемая когенерационная газотурбинная энергетическая установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, газовую турбину высокого давления, соединенные последовательно, газоводяной теплообменник, электрогенератор, механически соединенный с компрессором, сетевой насос, снабжена последовательно соединенными теплообменным устройством, содержащим взаимодействующие между собой посредством теплообмена горячий и холодный контуры теплоносителей, дополнительной камерой сгорания, газовой турбиной низкого давления, причем вход горячего контура теплоносителя теплообменного устройства, рабочим телом которого являются частично отработавшие продукты сгорания, подсоединен к выходу из газовой турбины высокого давления, а его выход присоединен к первому входу дополнительной камеры сгорания, второй вход которой выполнен с возможностью подачи природного газа, выход дополнительной камеры сгорания соединен с входом газовой турбины низкого давления, а ее выход соединен с входом горячего контура теплоносителя газоводяного теплообменника, вход холодного контура теплоносителя теплообменного устройства подсоединен к выходу сетевого насоса, а выход холодного контура теплоносителя теплообменного устройства присоединен к входу холодного контура теплоносителя газоводяного теплообменника, рабочим телом которого является вода, теплообменное устройство выполнено регулируемым.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена принципиальная тепловая схема когенерационной газотурбинной энергетической установки, на фиг. 2. показаны графические зависимости расхода топлива на когенерационную газотурбинную энергетическую установку от температуры наружного воздуха для прототипа и предлагаемого изобретения.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, газовую турбину высокого давления 3, газовую турбину низкого давления 4, электрогенератор 5, теплообменное устройство 6, содержащее горячий контур теплоносителя 7 и холодный контур теплоносителя 8, дополнительную камеру сгорания 9, сетевой насос 10, газоводяной теплообменник 11, содержащий собственные горячий контур теплоносителя 12 и холодный контур теплоносителя 13. При этом газовая турбина высокого давления 3 и газовая турбина низкого давления 4 расположены на одном валу с компрессором 1, который механически соединен с электрогенератором 5.
Вход компрессора 1 выполнен с возможностью подачи атмосферного воздуха, а его выход соединен с первым входом камеры сгорания 2, второй вход которой выполнен с возможностью подачи природного газа. Выход камеры сгорания 2 соединен с входом газовой турбины высокого давления 3, выход которой соединен с входом горячего контура теплоносителя 7 теплообменного устройства 6, рабочим телом которого являются частично отработавшие продукты сгорания. Выход горячего контура теплоносителя 7 теплообменного устройства 6 соединен с первым входом дополнительной камеры сгорания 9, второй вход которой выполнен с возможностью подачи природного газа. Выход дополнительной камеры сгорания 9 соединен с входом газовой турбины низкого давления 4. Выход газовой турбины низкого давления 4 соединен с входом горячего контура теплоносителя 12 газоводяного теплообменника 11, выход которого выполнен с возможностью выброса уходящих газов в атмосферу. Сетевой насос 10 подключен к входу холодного контура теплоносителя 8 теплообменного устройства 6, рабочим телом которого является вода. Выход холодного контура теплоносителя 8 теплообменного устройства 6 соединен с входом холодного контура теплоносителя 13 газоводяного теплообменника 11, выход которого выполнен с возможностью передачи тепла потребителю. Теплообменное устройство 6 выполнено с регулируемым теплосъемом.
Когенерационная газотурбинная энергетическая установка работает следующим образом.
На вход компрессора 1 подают атмосферный воздух, который после сжатия с выхода компрессора 1 направляют на первый вход камеры сгорания 2, на второй вход которой подают природный газ. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине высокого давления 3 горячие газообразные продукты сгорания направляют на вход горячего контура теплоносителя 7 теплообменного устройства 6, где они передают теплоту сетевой воде, поступающей на вход холодного контура теплоносителя 8 теплообменного устройства 6 с помощью сетевого насоса 10. С выхода горячего контура теплоносителя 7 теплообменного устройства 6 газообразные продукты сгорания подают на первый вход дополнительной камеры сгорания 9, в которую на второй вход подают природный газ. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине низкого давления 4 горячие газообразные продукты сгорания направляют на вход горячего контура теплоносителя 12 газоводяного теплообменника 11. За счет того, что когенерационная газотурбинная энергетическая установка снабжена теплообменным устройством 6, дополнительной камерой сгорания 9 и газовой турбиной низкого давления 4, имеется возможность перераспределения расходов топлива между камерами сгорания, что обеспечивает возможность регулирования тепловой нагрузки теплообменного устройства 6 и газоводяного теплообменника 11, а также регулирования электрической нагрузки газовой турбины высокого давления 3 и газовой турбины низкого давления 4. В газоводяном теплообменнике 11 продукты сгорания передают теплоту сетевой воде, поступающей на вход холодного контура теплоносителя 13 газоводяного устройства 11 с выхода холодного контура теплоносителя 8 теплообменного устройства 6. С выхода горячего контура теплоносителя 12 газоводяного теплообменника 11 газообразные продукты выбрасывают в атмосферу в виде уходящих газов. Сетевую воду с выхода холодного контура теплоносителя 13 газоводяного теплообменника 11 направляют к потребителю. Электрогенератор 5 используют для выработки полезной нагрузки, а также электрической энергии для питания компрессора 1.
Результаты расчетов прохождения годовых графиков тепловой и электрической нагрузок когенерационной газотурбинной энергетической установки показали, что абсолютный расход топлива на установку в отопительный период снизился на 5-10% по сравнению с прототипом (ГТУ с пиковым водогрейным котлом) при одинаковых параметрах на входе в ГТУ, что отражено на графической зависимости расхода топлива на когенерационную газотурбинную энергетическую установку от температуры наружного воздуха, которая представлена на фигуре 2, где линия 1 отражает зависимость для прототипа, а линия 2 - зависимость для заявляемой когенерационной газотурбинной энергетической установки.
Использование изобретения позволяет повысить выработку электроэнергии на тепловом потреблении при прохождении годовых графиков тепловой и электрической нагрузки и обеспечить регулирование тепловой и электрической нагрузки.