СПОСОБ РАБОТЫ КОНТАКТНОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ НА МЕТАНОВОДОРОДНОЙ ПАРОГАЗОВОЙ СМЕСИ
METHOD OF CONTACT GAS TURBINE PLANT OPERATION ON METHANE-HYDROGEN STEAM-GAS MIXTURE

Изобретение относится к области энергетики, в частности к контактным энергетическим газотурбинным установкам.
Известен способ работы комбинированной газопаротурбинной установки STIG с подачей в камеру сгорания газовой турбины перегретого пара, вырабатываемого за счет утилизации тепла парогазовой смеси, отработавшей в газовой турбине. Впрыск пара увеличивает расход и теплоемкость парогазовой смеси, расширяемой в газовой турбине, с увеличением ее мощности и КПД. (Стырикович М.А., Фаворский О.Н., Батенин В.М. Парогазовые установки с впрыском пара ПГУ-STIG. Теплоэнергетика, №10, 1995 г.).
Недостатками цикла STIG являются сброс в атмосферу всей охлажденной парогазовой смеси и безвозвратные потери химически очищенной воды.
Известен способ работы газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и метаносодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов сгорания в газовой турбине, утилизацию их теплоты с образованием пара высокого давления, конденсацию содержащегося в них водяного пара, смешивание природного газа с перегретым паром, их расширение в газовой турбине, выработку перегретого пара, его смешивание с природным газом, нагрев этой смеси продуктами сгорания газовой турбины, пропускание через каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, ее нагрева во втором теплообменнике и подача во второй каталитический реактор с образованием в нем метановодородной парогазовой смеси, которую подают в камеру сгорания газотурбинной установки. (Патент RU №2467187, F02C 3/28, 20.11.2012).
Недостатками этого способа является усложнение конструкции установки и увеличение ее стоимости из-за применения двух каталитических реакторов и дополнительного внешнего теплообменника.
Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси и устройство для его осуществления (Патент RU №2639397, F02C 3/28, 21.12.2017), согласно которому в камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь, образующиеся продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки перегретого пара высокого давления, конденсируют пар низкого давления, содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, и используют его для выработки перегретого пара высокого давления, большую часть этого пара подают в камеру сгорания, а его меньшую часть смешивают с природным газом, полученную смесь природного газа и пара подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, эту смесь нагревают теплом расширенных продуктов сгорания, а затем нагревают до температуры 620-680°С теплотой, полученной при охлаждении камеры сгорания, и направляют во второй каталитический реактор, в котором долю водорода в метаносодержащей парогазовой смеси повышают больше 20%, обогащенную водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания.
Этот способ работы газотурбинной установки и устройство для его осуществления принят в качестве прототипа к изобретению.
Преимуществом способа является его применение в контактных газопаровых установках и подогрев метаносодержащей парогазовой смеси за счет тепла получаемого при охлаждении камеры сгорания газотурбинной установки.
Недостатком способа является применение второго адиабатического каталитического реактора, что усложняет конструкцию и повышает стоимость газотурбинной установки, работающей по этому способу.
Технический результат, получаемый в предлагаемом новом способе работы контактной газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси, связан повышением надежности и снижением стоимости этой газотурбинной установки.
Технический результат в предлагаемом способе работы контактной газотурбинной установки на метановодородной парогазовой смеси достигается тем, что в ее камеру сгорания подают сжатый в компрессоре воздух и метаносодержащую парогазовую смесь, продукты сгорания расширяют в газовой турбине, их теплоту используют для выработки перегретого пара высокого давления, конденсируют пар низкого давления содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, конденсат пара используют для выработки перегретого пара высокого давления, большую часть этого пара подают в камеру сгорания, а его меньшую часть смешивают с природным газом из магистрального газопровода, полученную газопаровую смесь нагревают теплом расширенных в газовой турбине продуктов сгорания до температуры 500-550°С и подают в камеру сгорания, причем меньшую часть перегретого пара и природного газа смешивают при весовом соотношении 7:1 и давлении 2,5-3 МПа; в первую ступень камеры сгорания (предкамеру) подают сжатый воздух, в газовую горелку предкамеры подают и зажигают природный газ, в ее рубашку охлаждения, содержащую капсулы никелевого катализатора, подают газопаровую смесь, нагревают до 620-680°С, используя теплоту рубашки охлаждения, на содержащемся в ней катализаторе осуществляют паровую каталитическую конверсию газопаровой смеси с образованием метановодородной смеси, содержащей до 5% водорода; полученную метановодородную смесь подают в предкамеру, эту смесь последовательно смешивают со сжатым воздухом и с продуктами сгорания газовой горелки, полученную «богатую» метановодородную смесь подают в предкамеру, ее последовательно смешивают со сжатым воздухом и с продуктами сгорания газовой горелки и сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, при этом долю водорода, за счет высокотемпературной паровой конверсии метана, повышают в продуктах сгорания до 15-20%, температуру продуктов сгорания устанавливают на уровне 1300-1350°С, затем в них подают сжатый воздух и получают «бедную» топливовоздушную смесь, которую сжигают в камере дожигания, температуру продуктов сгорания повышают до 1950-2000°С, подают в них сжатый воздух и перегретый пар и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной.
Предлагаемый способ работы контактной газотурбинной установки на метановодородной парогазовой смеси может быть реализован в газотурбинной установке, содержащей компрессор, камеру сгорания с охлаждающей рубашкой, газовую турбину, нагнетатель природного газа, котел утилизатор с контактным подогревателем парогазовой смеси, пароперегревателем, оросительное устройство и сепаратор конденсата, внешний охладитель конденсата, химводоочистку, трубопровод природного газа, газопровод, трубопровод перегретого пара высокого давления, смеситель природного газа и перегретого пара; компрессор связан через камеру сгорания с газовой турбиной, камера сгорания с охлаждающей рубашкой связана с трубопроводом природного газа, с подогревателем смеси перегретого пара а также с пароперегревателем, смеситель природного газа и перегретого пара связан с пароперегревателем и газопроводом природного газа, сепаратор связан трубопроводами через внешний охладитель конденсата с оросительным устройством и через химводоочистку с котлом-утилизатором, причем камера сгорания выполнена двухступенчатой и имеющей внутренний и наружный корпуса, при этом первая ступень камеры сгорания является предкамерой, а ее вторая ступень - камерой дожигания, эти ступени установлены внутри корпуса камеры сгорания, предкамера снабжена рубашкой охлаждения и газовой горелкой, рубашка охлаждения содержит гранулы никелевого катализатора; на входе предкамеры установлены поворотные лопатки, служащие для регулирования расхода воздуха, и полые завихривающие лопатки с отверстиями для выхода метановодородной смеси; предкамера соединена с трубопроводом природного газа, выход смесителя природного газа и перегретого пара связан через подогреватель природного газа и перегретого пара с входом рубашки охлаждения предкамеры, выход которой связан по метановодородной смеси через полые завихривающие лопатки с входом предкамеры; выход камеры сгорания связан с паропроводом перегретого пара; устройство управления регулирует расход газа на горелку и поворотные лопатки регулирования расхода воздуха в предкамеру.
На Фиг. 1 приведена тепловая схема устройства контактной газотурбинной установки на метановодородной парогазовой смеси, где:
1 - компрессор, 2 - камера сгорания с рубашкой охлаждения, 3 - газопровод, 4 - трубопровод смеси перегретого пара и газа, 5 - газовая турбина, 6 - нагнетатель природного газа, 7 - трубопровод природного газа, 8 - смеситель природного газа и перегретого пара, 9 - трубопровод перегретого пара высокого давления, 10 - котел-утилизатор, 11 - конвективный подогреватель смеси природного газа и перегретого пара, 12 - пароперегреватель, 13 - испаритель, 14 - экономайзер, 15 - оросительное устройство, 16 - сепаратор, 17 - внешний охладитель конденсата, 18 - химводоочистка.
На Фиг. 2 изображена схема камеры сгорания с рубашкой охлаждения, где: 19 - корпус камеры сгорания, 20 - устройство управления, 21 - предкамера, 22 - камера дожигания, 23 - линии управления, 24 - рубашка охлаждения предкамеры, 25 - поворотные лопатки регулирования расхода воздуха, 26 - полые завихряющие лопатки с отверстиями для выхода метановодородной смеси, 27 - газовая горелка, 28 - никелевый катализатор.
Способ работы контактной газотурбинной установки на метановодородной смеси и устройство для его осуществления работают следующим образом. Воздух, сжатый в компрессоре 1, природный газ из газопровода 3, смесь перегретого пара и природного газа из трубопровода 4 сжигают в камере сгорания 2, смешивают с большей частью перегретого пара, подводимого в выходную часть камеры сгорания 2 по трубопроводу перегретого пара 9. Смесь продуктов сгорания и перегретого пара расширяют с совершением работы в газовой турбине 5. Ее полезную работу используют для привода приводного агрегата, например нагнетателя природного газа 6. Продукты сгорания, расширенные в газовой турбине 5, направляют в котел-утилизатор 10 а их тепло используют для подогрева смеси природного газа и перегретого пара в конвективном подогревателе 11 до температуры 500-550°С, для перегрева пара высокого давления в пароперегревателе 12, а также для испарения воды в испарителе 13 и для ее подогрева в экономайзере 14. В смесь продуктов сгорания и перегретого пара, охлажденную в котле-утилизаторе 10 при выработке перегретого пара, через оросительное устройство 15 подают конденсат, охлажденный во внешнем охладителе конденсата 17 и производят конденсацию пара низкого давления, содержащегося в парогазовой смеси. Большую часть конденсата подают из внешнего охладителя конденсата 17 в оросительное устройство 15, а его меньшую часть подают через химводоочистку 18 в экономайзер 14 котла-утилизатора 10 и затем используют для выработки перегретого пара высокого давления. Из пароперегревателя 12 по трубопроводу перегретого пара высокого давления 9 меньшую часть выработанного перегретого пара и природный газ из трубопровода природного газа 7 подают в смеситель природного газа и перегретого пара 8. Образовавшуюся в смесителе 8 смесь природного газа и перегретого пара высокого давления направляют на вход рубашки охлаждения камеры сгорания 2, где ее нагревают до температуры 620-680°С и проводят на содержащемся в ней никелевом катализаторе паровую каталитическую конверсию с образованием на выходе рубашки охлаждения 24 камеры сгорания 2 метановодородной парогазовой смеси с концентрацией водорода до 5%.
Полученную метановодородную смесь подают в предкамеру 21 и смешивают ее со сжатым воздухом, подаваемым из компрессора 1, и с продуктами сгорания газовой горелки 27, установленной в предкамере 21. Далее ее последовательно смешивают со сжатым воздухом с помощью поворотных лопаток регулирования расхода воздуха 25 и с продуктами сгорания газовой горелки 27. Подачу газа в газовую горелку 27 и воздуха через поворотные лопатки регулирования расхода воздуха 25 осуществляют с помощью устройства управления 20 через линии управления 23. Полученную «богатую» метановодородную смесь сжигают в предкамере 21 при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, при этом долю водорода в продуктах сгорания повышают до 15-20%, за счет высокотемпературной паровой конверсии метана; температуру продуктов сгорания в камере дожигания 22 поддерживают на уровне 1300-1350°С, затем в них подают воздух, сжатый в компрессоре 1, а полученную при этом «бедную» топливовоздушную смесь, сжигают в камере дожигания 22 и повышают температуру продуктов сгорания до 1950-2000°С. В выходную часть камеры сгорания 2 с целью увеличения расхода рабочего тела и получения требуемой температуры газа перед газовой турбиной 5 подают разбавляющий воздух, сжатый в компрессоре 1 и перегретый пар из трубопровода перегретого пара 9.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют:
- использовать рубашку охлаждения предкамеры для размещения в ней никелевого катализатора;
- за счет сжигания в предкамере «богатой» метановодородной смеси и поддержания температуры продуктов сгорания на уровне 1300-1350°С обеспечить высокотемпературную паровую конверсию метана с повышением доля водорода в продуктах сгорания до 15-20%;
- упростить конструкцию и уменьшить стоимость установки за счет отказа от применения второй ступени адиабатического катализатора.