ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области термодинамики, а именно к газотурбинным установкам с паровоздушным окислителем камеры сгорания.
Известны газотурбинные установки (ГТУ), содержащие воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, подключенный к камере сгорания, включающей кожух и жаровую трубу, подсоединенную к линии подачи топлива, газовые турбины высокого и низкого давления с нагрузкой и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу, причем охлаждение горячих стенок жаровой трубы и снижение температуры продуктов сгорания до максимальной температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину высокого давления производится вторичным воздухом, что обеспечивает надежную и продолжительную работу ГТУ (Поршаков Б.П. и др., Газотурбинные установки на газопроводах: М, ФГПУ, изд. Нефть и газ, 2004, с.103).
Однако в камере сгорания лишь 30-40% (первичный воздух) от общего количества воздуха, поступающего из камеры сгорания, подводится в полость жаровой трубы - в зону горения, 60-70% общего количества воздуха (вторичный воздух) не участвует в горении, а поступает в кольцевое пространство между корпусом и жаровой трубой камеры сгорания и снижает температуру пламени внутри жаровой трубы от 1800-2000°С до температуры продуктов сгорания перед турбиной высокого давления.
Увеличение мощности привода ГТУ осуществляют различными способами и, соответственно, посредством различных приспособлений, например: дополнительным включением в работу нескольких ГТУ или осложнением схемы цикла ГТУ (ШВАРЦ В.А., Конструкция газотурбинных установок: - М, изд. Машиностроение, 1970. с. 6, 19 и 23), с помощью абсорбционной бромисто-литевой холодильной машины с впрыском охлажденной воды на входе в осевой компрессор ГТУ или с помощью впрыска воды без предварительного охлаждения на входе в осевой компрессор (Микаэлян Э.А. Повышение мощности и экономичности газотурбинных установок на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: - М. МИНХ и ГП им. И.М.Губкина, 1968. с 1, 6), Микаэлян Э.А. Холодильные машины непрерывного действия с аккумулятором холода//Газовая промышленность, №12 (декабрь), 1968. - с.14-16).
Недостатком известных ГТУ является то, что воздух, используемый в этом случае, имеет невысокую теплоемкость, в 4 раза с лишним ниже, чем теплоемкость воды, а дополнительное количество воздуха (вторичного воздуха), сжимаемого в осевом компрессоре ГТУ, увеличивает потребляемую им мощность, вырабатываемую газовой турбиной ГТУ, на величину, пропорциональную количеству вторичного воздуха, участвующего в технологическом процессе ГТУ.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является газотурбинная установка, содержащая воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, подключенный к камере сгорания, включающей корпус и жаровую трубу, подсоединенную к линии подачи топлива, газовые турбины высокого и низкого давления с нагрузкой (компрессор, насос или электрогенератор) и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу и линией подачи воды на вход камеры сгорания (Черри, Арсуфи. Газотурбинная установка с впрыском пара, объединенная с установкой для приготовления обессоленной воды термическим методом//Энергетические машины, М., 1986, №4, с.116-126).
Недостатком указанной установки является форсирование мощности за счет обеспечения лишь кратковременного увеличения мощности на 10-20% и частичной замены вторичного воздуха камеры сгорания.
Задачей полезной модели является повышение мощности и экономичности установки за счет обеспечения полной замены вторичного воздуха в тепловом балансе ГТУ.
Поставленная задача достигается тем, что газотурбинная установка содержит воздушный осевой компрессор с пусковым устройством и воздухозаборной камерой для подачи атмосферного воздуха, камеру сгорания, подключенную к выходу компрессора и включающую кожух, жаровую трубу и горелку, при этом вход камеры сгорания подсоединен к линии подачи топлива и насосу для подачи умягченной воды в кольцевое пространство между кожухом и жаровой трубой камеры сгорания, а выход - к смесителю перегретого пара и продуктов сгорания, подключенному к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления с нагрузкой и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.
Газотурбинная установка состоит из осевого компрессора 1, куда поступает атмосферный воздух из воздухозаборной камеры для подачи атмосферного воздуха 2, камеры сгорания 3, турбины высокого давления 4, турбины низкого давления 5, полезной нагрузки 6 и пускового устройства 7.
Камера сгорания 3 состоит из кожуха 8, внутри которого находится жаровая труба 9.
Вход камеры сгорания 3 подсоединен к выходу осевого компрессора 1 посредством линии 10, к линии подачи топлива 11 и насосу 12 для подачи умягченной воды в кольцевое пространство между кожухом 8 и жаровой трубой 9 камеры сгорания 3. Подача топлива и сжатого воздуха производится в горелку 13, размещенную на входе камеры сгорания 3.
Выход камеры сгорания 3 подключен к смесителю перегретого пара и продуктов сгорания 14, подключенному к последовательно соединенным газовым турбинам высокого и низкого давления 4 и 5 с нагрузкой 6 и линией выхлопа продуктов сгорания в атмосферу 15. На наружной поверхности жаровой трубы 9 выполнены щели 16.
Установка работает следующим образом.
После запуска газотурбинной установки с помощью пускового устройства 7 осевой воздушный компрессор 1 сжимает атмосферный воздух, поступающий из воздухозаборной камеры 2, и подает его в камеру сгорания 3 непосредственно в горелку 13. Одновременно по линии подачи топлива 11 топливо поступает в горелку 13 и, смешиваясь с сжатым воздухом, образует топливно-воздушную смесь. В результате процесса горения температура пламени внутри жаровой трубы 9 достигает 1800-2000°С.
При этом в кольцевое пространство между кожухом 8 и жаровой трубой 9 подается умягченная вода с помощью водяного насоса 12 для охлаждения горячих стенок жаровой трубы и продуктов сгорания, образовавшихся внутри жаровой трубы 9. Образованный в кольцевом пространстве камеры сгорания 3 перегретый пар проникает через щели 16 внутрь жаровой трубы 9.
Окончательно температура продуктов сгорания снижается до максимальной температуры цикла (температуры, на которую рассчитаны рабочие лопатки и горячие детали турбины высокого давления 4) с помощью смесителя перегретого пара и продуктов сгорания 14, установленного на выходе камеры сгорания 3. Далее продукты сгорания в смеси с перегретым паром поступают в газовую турбину (в данной установке состоящей из турбины высокого давления 4 и турбины низкого давления 5) для привода соответственно осевого воздушного компрессора 1 и полезной нагрузки 6. В качестве полезной нагрузки могут быть центробежный компрессор, центробежный насос или электрогенератор.
В случае 2-х ступенчатой газовой турбины, как представлено на чертеже, предварительное расширение продуктов сгорания вначале происходит в турбине высокого давления 4 для привода компрессора 1, а окончательное расширение происходит в турбине низкого давления 5 для привода полезной нагрузки 6.
Вода, попадая в кольцевое пространство между кожухом (корпусов) и жаровой трубой камеры сгорания, мгновенно испаряется за счет высокой температуры стенок жаровой трубы под действием зоны горения внутри жаровой трубы, при этом температура пламени доходит до 1800-2000°С. Образовавшийся пар при испарении с температурой порядка 300-350°С исполняет роль вторичного воздуха относительно исходной газотурбинной установки, охлаждая горячие стенки жаровой трубы 9 и снижая температуру продуктов сгорания на выходе камеры сгорания 3 до максимальной температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину высокого давления 4.
Таким образом, за счет замены вторичного воздуха эквивалентным количеством впрыскиваемой подготовленной воды, подаваемым водяным насосом 12, без нарушения теплового и энергетического баланса газотурбинной установки используется осевой компрессор 3 мощностью на 60-70% меньше используемых традиционно. Мощность же полезной нагрузки 6 настолько же увеличится.