ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
GAS PUMPING UNIT

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам - ГПА с высокотемпературными газотурбинными двигателями в качестве приводов.
Известен газоперекачивающий агрегат, использующий один из наиболее эффективных методов повышения эффективности процесса сгорания и улучшения экологических характеристик является способ добавки в углеводородное топливо смеси водорода и монооксида углерода, которые могут получаться за счет реформирования природного газа в каталитическом реакторе генератора синтез-газа. (Цыбизов Ю.И., Елисеев Ю.С., Федорченко Д.Г. «Использование синтез-газа для обеспечения экологической безопасности ГТУ», Авиадвигатели XXI века., Москва, ЦИАМ. С. 461-462. 2015 г.).
Недостатки трудности с подогревом исходного сырья в каталитическом реакторе свыше 600°С.
Известен газоперекачивающий агрегат по патенту РФ на изобретение №2708957, МПК F02C 3/00, опубл. 12.12.2019 г.
Этот ГПА содержит газотурбинный двигатель, топливную систему и систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединены последователь теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор.
Известен газоперекачивающий агрегат по заявке РФ на изобретение №2020116636, МПК МПК F02C 3/00, приор. 12.05.2020 г., прототип.
Этот газоперекачивающий агрегат содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, свободную турбину и нагнетающий компрессор, топливную систему и систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединены последователь теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор, при этом катализатор установлен внутри вспомогательного топливного коллектора, который выполнен внутри форсуночной плиты или на ней и дополнительными каналами сообщен с воздушными каналами форсуночной плиты.
Недостаток: низкий КПД агрегата из-за больших габаритов теплообменников и малая эффективность активных радикалов синтез-газа из-за значительного времени прохождения синтез-газа от теплообменника до форсунок синтез-газа. Время жизни радикалов и ионов составляет несколько наносекунд.
Задача создания изобретения повышение КПД агрегата.
Достигнутый технический результат: повышение КПД агрегата.
Решение указанных задач достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащем газотурбинный двигатель, входное устройство, компрессор, камеру сгорания с жаровой трубой и топливо-воздушными форсунками на форсуночной плите, соединенными через топливный коллектор с топливопроводом, турбину, свободную турбину и выхлопное устройство, систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и эжекторная магистраль, к входу в эжектор-смеситель присоединен теплообменник предварительно нагрева, установленный в выхлопном устройстве, а к выходу присоединен теплообменник окончательного нагрева с катализатором, отличающийся тем, что эжекторная магистраль выполнена в виде эжекторной магистрали топлива, теплообменник окончательного нагрева установлен внутри жаровой трубы и оборудован форсунками синтез-газа, а катализатор установлен в выходной полости этого теплообменника, выполненного с выходным обтекателем.
Теплообменник окончательного нагрева может быть установлен на форсуночной плите против топливного коллектора, закрепленного на ней же с другой стороны.
Теплообменник окончательного нагрева может содержать дополнительные топливные каналы, выходящие в кольцевую полость, образованную между внешним и внутренним кольцевыми кожухами, две кольцевые щели, между внешней и внутренней кольцевыми стенками и кольцевыми кожухами, на кольцевых стенках выполнены форсунки синтез-газа.
Теплообменник окончательного нагрева может содержать несколько теплообменных секций, равномерно размещенных на форсуночной плите, каждая из которых содержит дополнительный топливный канал, выходящий в полость внутри цилиндрического кожуха, кольцевой зазор, образованный между цилиндрическим кожухом и цилиндрической стенкой, с форсунками синтез-газа на ней.
На теплообменнике могут быть выполнены ребра.
Ребра могут быть выполнены в виде продольных пластин.
Ребра могут быть выполнены в виде цилиндров.
Ребра могут быть выполнены в виде конусов.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…15, где:
на фиг. 1 приведена принципиальная схема газоперекачивающего агрегата,
на фиг. 2 приведена камера сгорания и система подачи топлива,
на фиг. 3 приведен разрез А-А, первый вариант
на фиг. 4 приведен первый вариант теплообменника.
на фиг. 5 приведен разрез В-В, второй вариант теплообменников,
на фиг. 6 приведен второй вариант теплообменников,
на фиг. 7 приведен теплообменник с ребрами,
на фиг. 8 приведен теплообменник с оребрением в виде цилиндрических штырьков,
на фиг. 9 приведен фрагмент теплообменной секции и катализатора,
на фиг. 10 приведены цилиндрические штырьки,
на фиг. 11 приведены конические штырьки,
на фиг. 12 приведена газовоздушная форсунка,
на фиг. 13 приведен разрез С-С газовоздушной форсунки,
на фиг. 14 приведен фрагмент форсуночной плиты,
на фиг. 15 приведен вид D форсуночной плиты.
Перечень признаков, принятых в описании:
газотурбинный двигатель 1,
входное устройство 2,
выхлопное устройство 3,
свободная турбина 4,
корпус 5,
сопловой аппарат 6,
рабочее колесо 7,
рабочие лопатки 8,
вал 9,
нагнетающий компрессор 10,
входной корпус 11,
выходной корпус 12,
центробежное рабочее колесо 13.
входная газовая труба 14,
выходная газовая труба 15,
воздушный тракт 16,
воздухозаборник 17,
компрессор 18,
полость 19,
камера сгорания 20,
турбина 21,
газовый тракт 22,
направляющий аппарат 23.
рабочее колесо 24,
сопловой аппарат 25,
рабочее колесо 26,
жаровая труба 27,
форсуночная плита 28,
газо-воздушные форсунки 29,
топливный коллектор 30,
вал 31,
первая опора 32,
вторая опора 33,
топливопровод 34,
регулятор расхода 35,
клапан 36,
вторая газовая магистраль 37,
второй клапан 38,
второй коллектор 39,
эжекторная магистраль топлива 40,
эжектор-смеситель 41,
теплообменник предварительного нагрева 42,
теплообменник окончательного нагрева 43,
теплообменные секции 44,
канал газа 45,
форсунка синтез-газа 46,
топливный канал 47,
полость коллектора 48,
внешняя кольцевая стенка 49,
внутренняя кольцевая стенка 50,
внешний кольцевой кожух 51,
внутренний кольцевой кожух 52,
полость синтез-газа 53,
внешняя кольцевая щель 54,
внутренняя кольцевая щель 55,
выходная полость 56,
соединяющее отверстие 57,
выходной обтекатель 58,
катализатор 59,
трубчатый корпус 60,
трубчатый кожух 61,
кольцевая щель 62,
ребра 63,
цилиндр 64,
конус 65,
хвостовик 66,
корпус 67,
выходное отверстие 68,
направляющие лопатки 69,
наклонные каналы 70,
установочное отверстие 71,
наклонные каналы плиты 72,
кран эжектора 73,
редуктор эжектора 74,
эжекторное сопло 75.
Предложенный газоперекачивающий агрегат - ГПА повышенной экономичности предназначен для перекачки природного газа. ГПА (фиг. 1) содержит газотурбинный двигатель 1, входное устройство 2, выхлопное устройство 3, свободную турбину 4, содержащую в свою очередь корпус 5, сопловой аппарат 6 и рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8. Рабочее колесо 7 валом 9 соединено с нагнетающим компрессором 10, содержащим входной корпус 11, выходной корпус 12 и центробежное рабочее колесо 13. К входному корпусу 11 присоединена входная труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15 (средства очистки и охлаждения природного газа на фиг. 1…15 не показаны).
Газотурбинный двигатель 1 содержит воздушный тракт 16, содержащий, в свою очередь воздухозаборник 17, компрессор 18 и полость 19 за компрессором 18 и перед камерой сгорания 20. Воздушный тракт 16 включает также и входное устройство 2, не относящееся к конструкции газотурбинного двигателя 1.
За камерой сгорания 20 установлена турбина 21 и выполнен газовый тракт 22, соединяющий выход из камеры сгорания 20 с входом в свободную турбину 4.
Компрессор 18 содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат 23 и рабочее колесо 24 (фиг. 1). Турбина 21 содержит, по меньшей мере, одну ступень. Каждая ступень компрессора 18 содержит сопловой аппарат 25 и рабочее колесо 26.
Камера сгорания 20 содержит жаровую трубу 27, форсуночную плиту 28 с форсунками 29 и с топливным коллектором 30 перед форсуночной плитой 28, предназначенным для подачи топливного газа к форсункам 29 через специальные каналы в форсуночной плите 28.
Более подробно конструкция камеры сгорания 20 приведена далее со ссылкой на фиг. 1-4.
Вал привода 31, соединяет рабочие колеса 24 компрессора 18 и рабочее колесо 26 турбины 21 и установлен на первой и второй опорах 32 и 33. Опор может быть более двух для многовальных двигателей.
Система подачи топливного газа содержит топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой - с топливным коллектором 30 камеры сгорания 20. В топливопроводе 34 установлены регулятор расхода 35 и клапан 36.
Таким образом, питание камеры сгорания 20 ГПА осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом.
Система подачи синтез-газа содержит (фиг. 3 и 4) вторую газовую магистраль 37, второй клапан 38, второй коллектор 39, стоящий в тракте двигателя перед топливным коллектором 30. В эту же систему входит эжекторная магистраль топлива 40, эжектор-смеситель 41 и теплообменник предварительного нагрева 42, установленный в выхлопном устройстве 3 для утилизации выбрасываемого теплового потока и теплообменник окончательного нагрева 43, установленный в камере сгорания 20 для его максимальной эффективности. Вход эжекторной магистрали топлива 40 соединен с выходной газовой трубой 15, а выход - с одним из входов в эжектор смеситель 41 (фиг. 1 и 2).
Эжекторная магистраль топлива 40 предназначена для подачи относительно холодного, но имеющего большое давление топливного газа в эжектор-смеситель 41 для его эффективной работы как смесителя.
Теплообменник окончательного нагрева 43 может содержать несколько теплообменных секций 44 и каналы газа 45.
Теплообменник окончательного нагрева 43 (фиг. 3 и 4) содержит канал газа 45 и форсунки синтез-газа 46, в виде отверстий, выходящих в жаровую трубу 27. Топливный канал 45 соединяет полость коллектора 48 с газо-воздушными форсунками 29 для подачи в эти форсунки топливного газа.
Теплообменник окончательного нагрева 43 (первый вариант) содержит внешнюю кольцевая стенку 49, внутреннюю кольцевую стенка 50, внешний кольцевой кожух 51, внутренний кольцевой кожух 52, полость синтез-газа 53, внешнюю кольцевую щель 54, внутреннюю кольцевую щель 55, соединенные с выходной полость 56, которая, в свою очередь соединена через соединяющее отверстие 57 с полостью синтез-газа 53.
Для снижения аэродинамических потерь теплообменник окончательного нагрева 43 оборудован выходным обтекателем 58, в котором выполнена выходная полость 56.
В выходной полости 56 выходного обтекателя 58 установлен катализатор 59.
В двух кольцевых щелях 54 и 55 топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный в окислительном процессе, чем топливный газ.
Возможен вариант применения в теплообменнике окончательного нагрева нескольких теплообменных секций 44 в одной кольцевой или трубчато-кольцевой камере сгорания 20 (фиг. 5…6).
Конструкция этих теплообменных секций 44 несколько отличается от описанного ранее теплообменника окончательного нагрева 43, и они имеют небольшие габариты и просты по конструкции и технологии изготовления и сборки.
Они содержат трубчатый корпус 60, трубчатый кожух 61 и кольцевую щель 62.
Возможно применение ребер 63 на поверхности теплообменника окончательного нагрева 43 или теплообменных секций 44. Катализатор 59 установлен в выходной полости 58 выходного обтекателя 56 (фиг. 9).
Ребра 63 могут быть выполнены в виде цилиндров 64 (фиг. 10) или конусов 65 (фиг. 11). Возможны и другие варианты оребрения.
При этом важно, чтобы чрезмерно развитое оребрение не вносило значительные аэродинамические потери по продуктам сгорания в камере сгорания 20, что ухудшит в целом КПД газоперекачивающего агрегата. Однако применение оребрения уменьшит габарита теплообменника окончательного нагрева 43 еще в 2-3 раза и повысит эффективность этого теплообменника.
На фиг. 12 и 13 приведена газовоздушная форсунка 29.
Она содержит: хвостовик 66, являющийся частью корпуса 67, выходное отверстие 68, направляющие лопатки 69, наклонные каналы 70 для закрутки воздуха.
На фиг. 14 приведен фрагмент форсуночной плиты 28, а на фиг. 15 приведен вид D форсуночной плиты 28. В форсуночной плите 28 выполнены тупиковые установочные (для газовоздушных форсунок) отверстия 71 и воздушные каналы плиты 72 для подвода воздуха в наклонные каналы 71.
Эжекторная магистраль топлива 40 может быть оборудована (фиг. 2) краном эжектора 73, редуктором эжектора 74 и эжекторным соплом 75.
РАБОТА АГРЕГАТА
При запуске газотурбинного двигателя 1 стартером (не показан) раскручивают вал привода 31, который раскручивает рабочее колесо 7 компрессора 18 (фиг. 1).
Топливный газ по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 поступает в полость коллектора 46 топливного коллектора 30 и далее через топливные каналы 45 (фиг 3 и 4) поступает в газо-воздушные форсунки 29 (фиг. 1).
Одновременно часть топливного газа в объеме 10%…30% от общего объема, идущего в камеру сгорания 20 газоперекачивающего агрегата, по второй газовой магистрали 37 через по эжекторной магистрали топлива в эжектор- смеситель 41 в котором он смешивается с топливом с относительно низкой температурой, но высоким давлением и подается в теплообменник предварительного нагрева 42 (фиг. 3 и 4) и каналы газа 43, где топливный газ преобразуется в синтез-газ и через форсунки синтез-газа 44 поступает в катеру сгорания 20, точнее непосредственно в жаровую трубу 27.
В теплообменнике предварительного нагрева 42, точнее в двух кольцевых щелях 52 и 53 топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный, чем топливный газ. В катализаторе 59 (фиг. 1 и 9) синтез-газ дополнительно активируется.
Расположение теплообменника в жаровой трубе 37 камеры сгорания 20 позволит максимально снизать его вес и повысить эффективность в 2…3 раза за счет очень высокой температуры продуктов сгорания, которая в современных ГТД достигает 1500°С.
При этом теплообменник окончательного нагрева 43 (или теплообменные секции 44) имеют низкое аэродинамическое сопротивление и не ухудшают характеристики газотурбинного двигателя 1 и в целом газоперекачивающего агрегата.
В результате, несмотря на относительно малое количество синтез-газа он равномерно перемешивается с воздухом и топливным газом в зоне горениям и активирует процесс горения по всему объему жаровой трубы 27. Расположение форсунок синтез-газа 46 непосредственно в жаровой трубе 27 предотвращает рекомбинацию ионов и радикалов синтез-газа и повышает полноту сгорания. Этому же способствует тот факт, что применено большое число мелких форсунок синтез-газа 46, в виде отверстий в кольцевых стенках 49 и 50 и в трубчатом корпусе 59 во втором варианте теплообменника окончательного нагрева 43, часто размещенных в зоне горения. Отверстия форсунок синтез-газа имеют длину 1…2 мм и при их прохождении синтез-газ не теряет свои активные свойства.
Одновременно при запуске газотурбинного двигателя 1 раскручивается вал 9 и свободная турбина 4 с нагнетающим компрессором 10, который повышает давление перекачиваемого газа.
Применение изобретения позволило:
- значительно повысить КПД агрегата за счет большей активности синтез-газа, и сохранения этой активности после подачи в зону горения за счет минимальной близости теплообменника форсунок синтез-газа к внутренней полости камеры сгорания, а именно полости ее жаровой трубы, и оптимального места установки катализатора,
- увеличить степень нагрева топливного газа в теплообменнике, что легче осуществить, так как, во-первых, максимальное значение температуры продуктов сгорания в двигателе имеет место в зоне горения жаровой трубы, во-вторых топливный газ предварительно подогрет в теплообменнике предварительного нагрева,
- уменьшить габариты теплообменника окончательного нагрева из-за большого температурного напора на стенках этого теплообменника (теплообменных модулей), установленного в зоне самых высоких температур в газоперекачивающем агрегате.
- предотвратить прогар теплообменника окончательного нагрева за счет использования эжектирующей магистрали топлива с относительно холодным топливом.