ГАЗОТУРБИННАЯ ПРИСТАВКА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ ГЕНЕРАТОРА ГАЗА

Полезная модель относится к области газотурбостроения, а именно к устройствам для использования тепла выхлопных газов газогенераторов.
Одним из направлений повышения эффективности и улучшения удельных параметров генераторов газа, например наземных газотурбинных установок (ГТУ), является использование сложных циклов.
Известна «Система термодинамического преобразования воздушного цикла», патент США №4.751.814 от 21.06.1988 г., где используется тепло выхлопных газов ГТУ для получения дополнительной мощности, которая включает трехкаскадный компрессор с теплообменниками охлаждения воздуха между каскадами, теплообменник, представляющий собой камеру подогрева воздуха за компрессорами, куда поступают выхлопные газы от основной газотурбинной установки (ГТУ), турбину, с выходным валом для
привода компрессоров и производства механической работы, подогреватель выхлопных газов, котел-утилизатор.
Недостатком данного технического решения является сложность конструкции, большие габариты и масса, низкая эксплуатационная эффективность и отсутствие автономности работы генератора газа от газотурбинной приставки, что обусловлено конструкцией газотурбинной приставки, так как для изменения величины энергии подаваемой в газотурбинную приставку, например, в процессе запуска или выхода на аварийный режим газотурбинной приставки, требуется изменение режима работы генератора газа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятому за прототип является «Газотурбинная приставка, использующая энергию генератора газа», патент на полезную модель №34207 от 17.07.2003 «», которая включает входное устройство, компрессор, соединенный с турбиной через мультипликатор, камеру подогрева воздуха (теплообменник), установленную за компрессором, трубопровод подсоединения генератора газа с камерой подогрева, силовую турбину, подогреватель выхлопных газов, расположенное за компрессором устройство перепуска воздуха с регулировочным краном и котел - утилизатор.
Недостатками данного технического решения является отсутствие автономности режима работы генератора газа от газотурбинной приставки и пониженная эффективность газотурбинной приставки.
Отсутствие автономности является следствием того, что для изменения величины энергии подаваемой в газотурбинную приставку, например, в процессе запуска или выхода на аварийный режим газотурбинной приставки, требуется изменение режима работы генератора газа и это ухудшает эксплуатационные характеристики совместной работы газотурбинной приставки и генератора газа, особенно, если в качестве генератора газа используется, энергетическая ГТУ.
Пониженная эффективность газотурбинной приставки является следствием того, что величина максимально-допустимой температуры газа, подаваемого из газогенератора на вход в камеру подогрева, лимитируется прочностными характеристиками этой камеры подогрева (теплообменника), а расход газа определяется выбранной конструкцией газогенератора.
Для повышения эффективности использования энергии генератора газа, применяются различные устройства полезного использования энергии потоков газа и воздуха на выходе из газотурбинной приставки, наиболее простым из которых является направление этих потоков в котел - утилизатор системы теплоснабжения. Однако, при отсутствии или ограниченной потребности такого использования энергии потоков газа и воздуха на выходе из газотурбинной приставки ее эффективность (мощность и КПД использования энергии генератора газа) снижается.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение автономности режима работы генератора газа от газотурбинной приставки и повышения эффективности газотурбинной приставки.
Технический результат достигается в газотурбинной приставке, использующей энергию генератора газа, которая включает входное устройство, компрессор, соединенный с турбиной через мультипликатор, камеру подогрева воздуха, установленную за компрессором, патрубок подсоединения генератора газа с камерой подогрева, силовую турбину, подогреватель выхлопных газов, устройство перепуска воздуха с регулировочным краном, расположенное за компрессором, и котел-утилизатор, причем газотурбинная приставка дополнительно содержит заслонку - регулятор, камеру смешения, выхлопное устройство, имеющее выходы, и заслонки. Заслонка - регулятор подачи выхлопных газов генератора газа в камеру подогрева газотурбинной приставки установлена в трубопроводе подсоединения генератора газа к камере подогрева, камера смешения расположена между генератором газа и трубопроводом подсоединения генератора газа к камере подогрева. Выхлопное устройство соединено с камерой смешения и котлом - утилизатором, а
заслонки установлены в местах подсоединения выхлопного устройства к камере смешения и котлу-утилизатору, выхлопное устройство газотурбинной приставки имеет заслонку для перепуска.
На фиг 1 изображена конструктивная схема газотурбинной приставки, использующей энергию генератора газа, например, ГТУ.
На фиг.2 изображен вариант А компоновки газотурбинной приставки, использующей энергию генератора газа.
На фиг.3 изображен вариант Б компоновки газотурбинной приставки, использующей энергию генератора газа.
Газотурбинная приставка, схематично изображенная на фиг.1, фиг.2, фиг.3, и использующая энергию выхлопных газов генератора газа, например, ГТУ, содержит: входное устройство 1, компрессор 2, камеру 3 подогрева воздуха, турбину 4 привода компрессора 2, силовую турбину 5 с выходным валом 6 и муфтой 7 для подсоединения приводимого устройства (например, электрогенератора), выхлопное устройство 8 с выходами, устройство 9 перепуска воздуха с регулировочным краном 10, мультипликатор 11, подогреватель 12 выхлопных газов, генератор 13 газа, камеру смешения 14, трубопровод 15 соединения генератора 13 газа через камеру 14 смешения с камерой 3 подогрева воздуха, котел-утилизатор 16, трубопровод 17 подвода и трубопровод 18 отвода воды из котла-утилизатора 16, заслонка-регулятор 19 подачи выхлопных газов генератора газа в камеру подогрева газотурбинной приставки, заслонку 20 подсоединения одного из выходов выхлопного устройства 8 к котлу-утилизатору 16, заслонку 21 подсоединения другого выхода выхлопного устройства 8 к камере смешения 14 и заслонку 22 для перепуска.
Газотурбинная приставка может быть выполнена по одновальной схеме с единой турбиной, осуществляющей привод компрессора и выдачу механической энергии на выходной вал.
Газотурбинная приставка, использующая энергию генератора газа, например, ГТУ, схематично изображенная на фиг.1 может работать при различных
положениях заслонок 20, 21 и 22 (одновременно или поочередно закрытых, открытых или находящихся в промежуточных положениях).
Газотурбинная приставка, когда заслонка 20 подсоединения выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки к котлу-утилизатору 16 устанавливается в открытое положение, а заслонка 21 подсоединения выхлопного устройства 8 к камере 14 смешения устанавливается в закрытое положение, работает следующим образом.
Воздух из входного устройства 1 поступает в компрессор 2, где он сжимается и направляется в камеру 3 подогрева воздуха, в которой происходит подогрев этого воздуха за счет энергии выхлопных газов, поступающих из трубопровода 15, соединенного через камеру 14 смешения генератора 13 газа с камерой 3 подогрева воздуха. Поток выхлопных газов может дополнительно подогреваться, в соответствии с эксплуатационными потребностями, подогревателем 12 выхлопных газов, установленном в трубопроводе 15 соединения генератора 13 газа и с камерой 3 подогрева воздуха. Подогретый этими выхлопными газами в камере 3 подогрева воздуха поступающий из компрессора 2 воздух направляется в турбину 4 привода компрессора 9 и силовую турбину 5 газотурбинной приставки, где отдают свою энергию и поступают в выхлопное устройство 8. Энергия силовой турбины 5 выдается на выходной вал 6 с муфтой 7. Оставшаяся энергия выхлопных газов после выхода из камеры 3 подогрева воздуха и оставшаяся энергия воздуха в выхлопном устройстве 8 газотурбинной приставки может использоваться в котле-утилизаторе 16, например, для подогрева воды в системе теплоснабжения.
Устройство 9 перепуска воздуха за компрессором 2 с регулировочным краном 10 обеспечивает регулирование режима работы газотурбинной приставки в основном для снижения частоты вращения ротора при нештатных вариантах работы, например, при не санкционированном повышении частоты вращения ротора газотурбинной приставки.
Соединение турбины 4 генератора 13 газа с компрессором 2 через мультипликатор 11 позволяет создавать оптимальную конструкцию ступеней турбины
4 генератора 13 газа и силовой турбины 5 газотурбинной приставки с высокими показателями КПД на уровне 0,9-0,91 при работе в условиях относительно низких температур рабочего тела, например, 700-800 К.
Вал 6 силовой турбины 5 газотурбинной приставки обеспечивает передачу мощности к соответствующему потребителю, например, электрогенератору, компрессору газоперекачивающего агрегата и т.п. Если в качестве генератора газа используется ГТУ, то конструктивно обеспечивается совместная работа ГТУ и газотурбинной приставки по передачи энергии приводимым агрегатам. В этом случае выходной вал ГТУ (на схеме не показан) и выходной вал 6 газотурбинной приставки могут осуществлять привод агрегатов (например, электрогенераторов) раздельно непосредственно от этих валов, либо через объединительный редуктор на единый вал привода (на схеме не показаны).
Независимо от выбора вариантов передачи мощности ГТУ и газотурбинной приставки, уровень максимальной нагрузки газотурбинной приставки на стационарных режимах регламентируется располагаемой энергией выхлопных газов основной ГТУ и дополнительным теплом, подводимым, с использованием подогревателя 12 выхлопных газов ГТУ. При работе с подключением к общей энергосистеме изменение нагрузки не вызовет каких-либо затруднений в работе всего газотурбинного агрегата, состоящего из ГТУ и газотурбинной приставки. При изолированном применении газотурбинного агрегата любые изменения нагрузки компенсируются за счет изменения мощности самой ГТУ, а максимальная нагрузка ограничена суммарной мощностью ГТУ и газотурбинной приставки.
Заслонка-регулятор 18 подачи выхлопных газов генератора 13 газа в камеру 3 подогрева воздуха газотурбинной приставки позволяет осуществлять оперативное регулирование в широких пределах расход выхлопных газов с высоким уровнем быстродействия путем его перепуска вплоть до полного перекрытия подачи выхлопных газов в камеру 3 подогрева воздуха (крайние положения показаны штриховыми линиями). Перепуск может осуществляться
в атмосферу при полном перекрытии (вариант выключения газотурбинной приставки), когда выхлопные газы генератора газа могут быть направлены по трубопроводу 15 непосредственно в котел - утилизатор, что в случае использования в качестве генератора газа ГТУ позволит повысить эффективность всего агрегата. Возможность такого регулирования особенно важна при запуске газотурбинной приставки и аварийных ситуациях, так как обеспечивает автономность подключения и отключения газотурбинной приставки при работе генератора газа на штатном режиме. Например, при запуске газотурбинной приставки для обеспечения постепенности прогрева ее камеры подогрева подача выхлопных газов от генератора 13 газа осуществляется по специальному графику с заданным темпом от минимального расхода до расхода генератора газа на штатном режиме для снижения температурных градиентов в элементах камеры 3 подогрева воздуха (теплообменнике). Если в качестве генератора 13 газа используется энергетическая ГТУ, то без использования заслонки-регулятора 18 для выполнения такого графика подогрева потребуется, практически, отключать на этот период выработку электроэнергии энергетической ГТУ.
Газотурбинная приставка, когда заслонка 20 подсоединения выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки к котлу-утилизатору 16 устанавливается в закрытое положение, а заслонка 21 подсоединения выхлопного устройства 8 к камере 14 смешения устанавливается в открытое положение, работает следующим образом.
Заслонка 20 подсоединения выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки к котлу-утилизатору 16 устанавливается в закрытое положение, а заслонка 21 подсоединения выхлопного устройства 8 к камере смешения 14 устанавливается в открытое положение. При таком соединении в камере смешения 14 происходит смешение выхлопных газов генератора 13 газа с имеющим остаточную энергию воздухом, поступающим из выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки. Количество поступающего из выхлопного устройства 8 воздуха может регулироваться установкой заслонок 20 и 21 в
промежуточное положение или перепуском воздуха через открытое до необходимого положение (при данных условиях эксплуатации) заслонки 22 перепуска, либо в атмосферу, либо в котел - утилизатор. Полученный в камере 14 смешения общий поток выхлопных газов может дополнительно в соответствии с эксплуатационными потребностями подогреваться подогревателем 12 выхлопных газов, установленном в трубопроводе 15 соединения генератора 13 газа с камерой 3 подогрева воздуха. Подогретый этими выхлопными газами воздух в камере 3 подогрева воздуха поступает в турбину 4 привода компрессора 2 и силовую турбину 5 газотурбинной приставки, где отдает свою энергию и поступают в выхлопное устройство 8. Энергия силовой турбины 5 выдается на выходной вал 6 с муфтой 7. Оставшаяся энергия выхлопных газов после выхода из камеры 3 подогрева воздуха может использоваться в котле-утилизаторе 16, например, для подогрева воды в системе теплоснабжения.
Работа газотурбинной приставки, использующей энергию генератора газа на фиг.1 может осуществляться без применения заслонок 20 и 21, путем установки сменных выхлопных устройств газотурбинной приставки, как это показано на фиг.2 и фиг.3.
Работа газотурбинной приставки, указанной на фиг.2 вариант А аналогична варианту, когда заслонка 20 подсоединения выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки к котлу-утилизатору 16 устанавливается в открытое положение, а заслонка 21 подсоединения выхлопного устройства 8 к камере 14 смешения устанавливается в закрытое положение.
Работа газотурбинной приставки, указанной на фиг.3 вариант Б аналогична варианту, когда заслонка 20 подсоединения выхлопного устройства 8 газотурбинной приставки к котлу-утилизатору 16 устанавливается в закрытое положение, а заслонка 21 подсоединения выхлопного устройства 8 к камере
14 смешения устанавливается в открытое положение.
Применение на фиг.3 вариант Б схемного соединения конструктивных элементов газотурбинной приставки целесообразно в случае, когда существует
ρ
ρ
потребность снижения высокой температуры выхлопных газов газогенератора на входе в горячий контур камеры смешения, чтобы обеспечить необходимые прочностные характеристики этого теплообменного устройства, при условии отсутствия или ограниченной потребности использования энергии потоков газа и воздуха на выходе из газотурбинной приставки в котле-утилизаторе. Реализация этого варианта позволяет дополнительно повысить мощность газотурбинной приставки порядка на 20% при принятой для камеры смешения газотурбинной приставки степени регенерации тепла σ=0,85 и порядка на 30% при σ=0,9.
Применение предлагаемой газотурбинной приставки, при использовании в качестве генератора газа, например, ГТУ, позволяет повысить суммарную мощность и КПД всего газотурбинного агрегата (газотурбинной установки - газотурбинная приставка) на 15-25% и более, в зависимости от параметров основной газотурбинной установки, при этом одновременно улучшаются экологические характеристики всего газотурбинного агрегата, так как вырабатываемая газотурбинной приставкой механическая работа производится путем экологически чистого процесса - без использования топлива.
Другим важным преимуществом газотурбинной приставки, использующей энергию генератора газа является возможность использования в качестве генератора газа любого устройства, которое создает поток газа (или воздуха), подогретого до температуры желательно 700К (и более) с давлением, превышающим давление окружающей среды на величину 5% и более.