ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к газотурбинным установкам, работающим на смеси пара и газа.
Полезная модель предназначена для преобразования химической энергии топлива в механическую работу в установках, испытывающих значительные по величине и частые по времени колебания полезной нагрузки, главным образом электростанций, на железнодорожном и водном транспорте, в качестве основных двигателей железнодорожных локомотивов, морских и речных судов.
Известны газотурбинные энергоустановки, в которых привод полезной нагрузки осуществляют от газотурбинного двигателя, выполненного по простой схеме, например, С.И. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремизов Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М. Издательство МЭИ. 2002 г. стр. 24, рисунок 1.2). К основным недостаткам данной схемы относятся низкий КПД в номинальном режиме, существенное снижение КПД по мере снижения полезной мощности в нагрузке. Например, при снижении мощности нагрузки до 25% от максимальной, КПД двигателя ГТД-6,3 РМ, выполненного по простой схеме, уменьшается в 1,37 раза (см. график 1 на фигуре 1).
Известны газотурбинные энергоустановки, в которых привод полезной нагрузки осуществляют от газотурбинного двигателя, выполненного по схеме с регенерацией тепла. Такие двигатели содержат теплообменник, в котором сжатый в компрессоре воздух перед подачей в камеру сгорания нагревают в теплообменнике теплом, отбираемым у газа, поступающего с выхода турбины, что позволяет обойтись меньшим количеством топлива для нагрева продуктов сгорания до той же температуры, что и в двигателе простой схемы. Такое решение позволяет несколько повысить КПД, но приводит к некоторому снижению максимальной мощности установки. Другой недостаток энергоустановок с такими двигателями заключается в том, что их КПД максимален при мощности порядка 35…40% от максимальной, а при больших или меньших мощностях заметно снижается.
Наиболее близка к заявленной полезной модели газотурбинная энергоустановка, принятая за прототип, содержащая полезную нагрузку, например, электрический генератор, компрессор, вход в который соединен с атмосферой, газоход, выход из которого соединен с атмосферой, и в котором размещен змеевик парогенератора, выход из которого соединен с выходом из компрессора, питательный насос, с входом и выходом, который соединен с входом в змеевик парогенератора, турбину, выход которой соединен с входом газохода, вал, соединенный с турбиной, компрессором и полезной нагрузкой, и также камеру сгорания, имеющую выход, который соединен с входом турбины, и входы, один из которых предназначен для подачи в камеру сгорания топлива, а другой - для подачи в камеру сгорания окислителя (С.И. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремизов Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. М. Издательство МЭИ. 2002 г. стр. 19) Недостатки таких энергоустановок - недостаточно высокий КПД, значительное его снижение при уменьшении мощности нагрузки (в 1,22 раза при снижении мощности до 30% и большой расход воды.
Полезная модель создана в целях повышения КПД, сохранения возможно более высоких значений КПД в широком диапазоне нагрузок и уменьшения расхода воды.
Поставленная цель достигается тем, что газотурбинная энергоустановка, содержащая полезную нагрузку, например, электрический генератор, компрессор, для выработки сжатого воздуха и турбину, расположенные на одном валу, камеру сгорания топлива, выход которой связан с входом турбины, теплообменник-змеевик, предназначенный для генерации пара, соединенный входом с водяным питательным насосом и размещенный в газоходе отходящих после турбины газов в атмосферу, и дополнительный размещенный в газоходе теплообменник-змеевик, предназначенный для подачи в камеру сгорания окислителя в виде предварительно подогретой паро-воздушной смеси, соединенный входом с выходами компрессора и теплообменника-змеевика, предназначенного для генерации пара, а выходом - с камерой сгорания.
Новым в полезной модели является одновременное применение в одной энергоустановке двух ранее известных решений, дающее синергетический эффект. Первое, это впрыск пара, вырабатываемого в змеевике парогенератором, работающим на тепле отходящих газов газотурбинного двигателя, в камеру сгорания двигателя, как это имеет место в прототипе. Второе - подача в камеру сгорания окислителя в виде предварительно подогретой паро-воздушной смеси.
Полезная модель поясняется описанием и фигурами, где:
на фиг.1 представлена принципиальная схема газотурбинной энергоустановки согласно полезной модели,
на фиг.2 представлены графики иллюстрирующие характер изменения КПД газотурбинной установки согласно полезной модели (заявленная энергоустановка) и известных из уровня техники,
на фиг.3 представлены графики иллюстрирующие характер изменения расхода воды газотурбинной установки согласно полезной модели (заявленная энергоустановка) и принятой за прототип.
Газотурбинная энергоустановка (фиг.1) содержит полезную нагрузку, например, электрический генератор 1, компрессор 2, вход в который соединен с атмосферой, газоход 3, выход из которого соединен с атмосферой, и в котором размещен теплообменник - змеевик 4, предназначенный для генерации пара, выход из которого соединен с выходом из компрессора 2, питательный насос 5, с входом и выходом, который соединен с входом в змеевик 4 парогенератора, турбину 6, выход которой соединен с входом газохода 3, вал 7, соединенный с турбиной 6, компрессором 2 и полезной нагрузкой 1, и также камеру сгорания, имеющую выход, который соединен с входом турбины 6, и входы, один из которых предназначен для подачи в камеру сгорания 8 топлива, а другой - для подачи в камеру сгорания 8 окислителя. В газоходе 3 установлен дополнительный теплообменник-змеевик 9, предназначенный для подачи в камеру сгорания окислителя в виде предварительно подогретой паро-воздушной смеси. Вход этого змеевика соединен с выходами компрессора 2 и теплообменника-змеевика 4, предназначенный для генерации пара, а выход - с входом камеры сгорания 8, предназначенным для подачи окислителя.
Работает газотурбинная энергоустановка следующим образом. Воздух из атмосферы поступает на вход 10 компрессора 2. Сжатый в компрессоре 2 воздух поступает на вход 23 дополнительного змеевика 9, установленного в газоходе 3. Помимо воздуха, на вход 23 дополнительного змеевика 9 поступает также водяной пар с выхода 15 змеевика парогенератора 4. Образующаяся при этом смесь воздуха и пара нагревается в дополнительном змеевике 9, и поступает на его выход 24, и далее - на предназначенный для подачи окислителя вход 21 камеры сгорания 8 воздух. В этой смеси в камере сгорания 8 сжигают топливо, поступающее на ее вход 20. Образующийся при горении топлива горячий газ поступает на выход 22 камеры сгорания 8 и далее - на вход 18 турбины 6. Производимая турбиной 6 работа затрачивается на привод полезной нагрузки 1, например, электрического генератора, и компрессора 2. Расширенный в турбине 6 газ поступает на ее выход 19 и далее в газоход 3, где он отдает тепло нагреваемым жидкостям и газам, нагреваемым в змеевиках 4 и 9. Охлажденный в газоходе 3 газ поступает на его выход и далее - в атмосферу. Заявленная энергоустановка была выполнена на базе серийного двигателя ГТД-6,ЗРМ (компрессор-турбина), Характеристики заявленной установки были исследованы.
Из представленных на фигуре 2 графиков видно, что в рабочем диапазоне полезных нагрузок, составляющем 25…100% от максимальной, КПД заявленной энергоустановки, выполненной на базе серийного двигателя ГТД-6,3 РМ (компрессор-турбина), изменяется в пределах 46,1…48,0%, у энергоустановки, выполненной на базе того же двигателя по схеме с регенерацией тепла - 39,6…42,5%, а у энергоустановки на базе того же двигателя по схеме прототипа - 33,9…43,1%. Таким образом, первая из заявленных целей - повышение КПД достигнуто.
При этом минимальное значение КПД заявленной установки в рабочем диапазоне мощности нагрузок составляло 96% от максимального по диапазону, в то время как у энергоустановки по схеме прототипа - 78,5% от максимального. Из чего следует, что достигнута и вторая поставленная цель сохранения возможно более высоких значений КПД в широком диапазоне нагрузок
Из представленных на фигуре 2 графиков видно, что в диапазоне мощностей 9,2…2,3 МВт расход воды у заявленной установки в 1,59…2,43 раза меньше, чем у энергоустановки на базе того же двигателя, но выполненной по схеме прототипа (см. графики на фигуре 3). Таким образом и третья из заявленных целей - уменьшение расхода достигается.
Новыми, достигаемыми полезными эффектами являются:
- КПД заявленной энергоустановки, при прочих равных условиях, существенно выше, чем у энергоустановок, в которых эти решения применены по отдельности;
- у заявленной установки высокие значения КПД сохраняются в широком диапазоне нагрузок;
- расход воды у заявленной установки при равной мощности существенно меньше, чем у установки с парогенератором.