ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА
GAS-TURBINE PLANT

Изобретение относится к газотурбинным установкам наземного применения для привода электрогенератора и для механического привода.
Известна газотурбинная установка с регенерацией тепла, включающая в себя газотурбинный двигатель и теплообменник с воздушным и газовым трактами, причем вход воздушного тракта соединен с компрессором газотурбинного двигателя, выход - с камерой сгорания, а вход газового тракта соединен с выходом из турбины [Патент Великобритании №1501879, F02C 7/10, 1978 г.].
Недостатком такой конструкции является низкая надежность газотурбинной установки вследствие низкой надежности высокотемпературного газовоздушного теплообменника, установленного на выходе из турбины.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция газотурбинной установки с регенерацией тепла с установленным на выходе из газовой турбины теплообменником с воздушным и газовым трактами, в котором воздушный тракт на входе соединен с дополнительным компрессором, а выход - с дополнительной воздушной турбиной [Патент РФ №2192552, F02C 7/08, 2000 г.].
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является ее низкая надежность вследствие высокой температуры воздуха на входе газотурбинной установки.
Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности газотурбинной установки путем снижения температуры воздуха на входе газотурбинной установки с использованием тепла исходящих из турбины газов.
Сущность изобретения заключается в том, что в газотурбинной установке с газотурбинным двигателем и установленным на его выходе теплообменником, газовый тракт которого на входе соединен с выходом из газовой турбины газотурбинного двигателя, согласно изобретению теплообменник выполнен в виде газожидкостного испарителя, жидкостный тракт которого на входе соединен с воздушно-жидкостным теплообменником-кондиционером, на выходе по паровому контуру - с паровой турбиной и далее с конденсатором пара, а по жидкому контуру - с теплообменником-охладителем, причем конденсатор на выходе и жидкий контур на выходе из теплообменника-охладителя через смеситель соединены с входом в жидкостный тракт теплообменника-кондиционера, воздушный тракт на выходе из которого выполнен с возможностью переключения на вход в газотурбинный двигатель, а рабочими жидкостями в теплообменнике-испарителе, теплообменнике-охладителе и в теплообменнике-кондиционере служат рассолы солей.
Известно, что некоторые соли при смешивании с водой понижают температуру полученной смеси (рассола), что может быть использовано для снижения температуры воздуха окружающей среды, например для кондиционирования помещений, или для использования в холодильниках. Приоритетами при выборе состава соли должны быть ее экологическая безопасность, стоимость и эффективность, совместимость с газотурбинной техникой. Температура газа на выходе из газотурбинного двигателя достигает ~600°С, что может привести к расплаву некоторых солей. Повышение температуры воздуха на входе в газотурбинный двигатель на 10°С приводит к ухудшению его экономичности в среднем на 3% и к понижению мощности на ~10%.
Возможность переключения кондиционированного (охлажденного) воздуха с системы кондиционирования на вход в газотурбинный двигатель позволяет при высокой температуре атмосферного воздуха использовать заявляемое устройство для понижения, например, температуры в помещениях, а при снижении температуры атмосферного воздуха, когда система кондиционирования может быть отключена, охлажденный воздух используется на входе в газотурбинный двигатель для повышения его мощности и экономичности, например, для большей выработки электроэнергии.
Установка на выходе из газовой турбины газотурбинного двигателя газожидкостного теплообменника-испарителя позволяет выпарить из поступающего на вход в теплообменник рассола часть жидкости (например, воды), до частичного выпадения из рассола частиц соли, т.е. до получения концентрированного рассола. Соединение жидкостного испарителя на выходе по паровому контуру с паровой турбиной и далее с конденсатором пара позволяет образовавшемуся пару совершать полезную работу на турбине, после чего пар конденсируется, т.е. превращается в конденсаторе в жидкость.
Соединение газожидкостного испарителя на выходе по жидкому контуру с теплообменником-охладителем позволяет снизить температуру концентрированного рассола до температуры, близкой к температуре атмосферного воздуха (или, например, воды), после чего концентрированный рассол вместе с частицами дополнительно выпавшей в осадок соли направляется в смеситель, где смешивается с поступающей из конденсатора водой с соответствующим снижением температуры полученного при растворении соли рассола. Соединение смесителя с входом в жидкостный тракт воздушно-жидкостного теплообменника-кондиционера позволяет за счет полученного хладоресурса рассола снизить температуру забираемого атмосферного воздуха, который идет в систему кондиционирования помещений (или холодильника) или на вход в газотурбинный двигатель. Соединение входа жидкостного тракта теплообменника-испарителя с воздушно-жидкостным теплообменником-кондиционером позволяет вернуть рассол в цикл.
На чертеже показана схема газотурбинной установки. Газотурбинная установка 1 состоит из газотурбинного двигателя 2 с компрессором 3, камеры сгорания 4 и газовой турбины 5, а также газожидкостного испарителя 6, газовый тракт 7 которого соединен с выходом турбины 5. Жидкостный тракт 8 на входе 9 соединен с воздушно-жидкостным теплообменником-кондиционером 10. На выходе газожидкостный испаритель 6 по паровому контуру 11 соединен с паровой турбиной 12 и далее с конденсатором пара 13, а по жидкому контуру 14 - с теплообменником-охладителем 15, воздушный контур 16 которого на входе 17 и на выходе 18 соединен с атмосферой. Жидкостный тракт 19 теплообменника 15 на выходе 20, а также выход 21 из конденсатора пара 13 соединены со смесителем 22, который на выходе соединен с жидкостным трактом 23 теплообменника-кондиционера 10 и далее - с испарителем 6. Воздушный тракт 24 теплообменника-кондиционера 10 на входе 25 соединен с атмосферой, а на выходе через заслонку 26 - с системой кондиционирования воздуха 27 или с входом 28 в газотурбинный двигатель 2 или с системой кондиционирования и входом в двигатель одновременно.
Газотурбинный двигатель 2 и паровая турбина 12 для совершения полезной работы соединены с полезными нагрузками 29 и 30 соответственно.
Работает данное устройство следующим образом.
При работе газотурбинной установки 1 газотурбинный двигатель 2 с помощью полезной нагрузки 29 (например, электрогенератора) производит полезную работу, например производит электроэнергию. Однако большая часть энергии сгоревшего в камере сгорания 4 топлива выбрасывается с теплом выходящих из газовой турбины 5 газов. Для утилизации этой энергии газ из турбины 5 направляется в газожидкостной испаритель 6, в котором частично испаряется рассол соли. Полученный пар срабатывается в газовой турбине 12, выполняя, таким образом, полезную работу, например вырабатывая электроэнергию с помощью дополнительного электрогенератора 30. Отработанный пар из турбины 12 направляется в конденсатор 13 для перевода пара в жидкость (например, воду).
При выпаривании рассола в газожидкостном испарителе 6 концентрация рассола повышается, и часть соли выпадает в осадок. Концентрированный рассол для охлаждения, например, атмосферным воздухом направляется в теплообменник - охладитель 15, где при охлаждении концентрированного рассола часть соли дополнительно выпадает в осадок в результате уменьшения растворимости соли при понижении температуры. Концентрированный рассол далее поступает в смеситель 22, где при смешивании с жидкостью (водой) из конденсатора пара 13 происходит охлаждение рассола. Охлажденный рассол направляется в теплообменник-кондиционер 10, где охлаждает атмосферный воздух, который направляется либо в систему кондиционирования, либо на вход в газотурбинный двигатель для повышения его мощности и экономичности.
4
3
3
4
2
2
В качестве жидкости наиболее экологически безопасной может служить вода, а в качестве соли - известные удобрения: аммиачная селитра NHNO, или селитра натриевая соль NaNO, или хлористый аммоний NHCl, но наиболее совместимым с газотурбинным двигателем представляется хлористый кальций (CaCl), температура плавления которого (772°С) существенно более высокая, чем температура газа на выходе из газовой турбины, что позволяет использовать в установке высокотемпературный паровой цикл с высоким КПД, а низкая температура замерзания раствора CaCl (-48°С для 30%) дает возможность использовать его при низких температурах атмосферного воздуха.