АВТОНОМНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С МНОГОКОНТУРНОЙ ТЕПЛОСИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно к классу газотурбинных установок для выработки электроэнергии, и является многоконтурной теплосиловой установкой, объединяющей в своем составе три электрогенерирующих модуля с различными рабочими телами.
Известна бинарная парогазовая установка, предназначенная для производства электроэнергии, содержащая компрессор низкого давления (КНД), промежуточный охладитель воздуха, компрессор высокого давления (КВД), камеру сгорания, газовую турбину, котел-утилизатор, паровую турбину, генератор тока (см. патент РФ на изобретение №2252323, МПК F01K 23/10, опубл. 20.05.2005 г.).
Недостатком известной бинарной парогазовой установки является низкая эффективность использования первичного топлива для выработки электроэнергии.
Известна парогазовая установка электростанции, содержащая газотурбинный блок, состоящий из газовой турбины, турбокомпрессора, камеры сгорания и электрогенератора, котел-утилизатора, паротурбинного блока, состоящего из паровой турбины с конденсатором, электрического генератора и питательного насоса, теплообменника-утилизатора теплоты уходящих газов, снабженного конденсатосборником с гидрозатвором (см. патент РФ на изобретение №2362022, МПК F01K 23/00, опубл. 20.07.2009 г.).
Недостатком известной парогазовой установки также является низкая эффективность использования первичного топлива для выработки электроэнергии.
Известна также система автоматического регулирования мощности парогазовой установки, включающей, по меньшей мере, одну газотурбинную установку с газовой турбиной, по меньшей мере, один котел-утилизатор и паротурбинную установку с паровой турбиной, оборудованной регулирующими клапанами, содержащая формирователь задания по мощности, регулятор мощности парогазовой установки, регуляторы мощности газовых турбин и регулятор паровой турбины, при этом регулятор мощности парогазовой установки содержит ограничитель скорости выходного сигнала, а регулятор паровой турбины - дифференциатор, сумматор и выделитель максимума сигналов небаланса заданных и текущих значений давления на входе в турбину и положения регулирующих клапанов паровой турбины, причем один из выходов формирователя задания мощности подключен к входу дифференциатора, выход последнего - к одному из входов сумматора, а к его другому входу - выход выделителя максимума (см. патент РФ на полезную модель №61349, МПК F01K 13/02, опубл. 27.02.2007 г.).
Недостатком известной системы автоматического регулирования мощности парогазовой установки является низкое значение электрического КПД, что влечет за собой неэффективное использование топливного газа и приводит к значительному выбросу тепловых газов в атмосферу.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели является автономная газотурбинная электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой, содержащая воздухозаборник, компрессор низкого давления, компрессор высокого давления, промежуточный охладитель, первую и вторую газовые турбины разной мощности, первый и второй электрогенераторы, рекуператор, первый испаритель, дымосос, первый насос и первый кожухотрубный теплообменник-конденсатор, трубопровод подачи топлива, водогазовый подогреватель, камеру сгорания, соответствующие входы которой соединены с выходом рекуператора и трубопроводом подачи топлива, выход камеры сгорания соединен со входом первой турбины, соединенную выходом с рекуператором, выход компрессора низкого давления соединен с промежуточным охладителем, а выход промежуточного охладителя соединен со входом компрессора высокого давления, выход рекуператора соединен со входом водогазового подогревателя, выход водогазового подогревателя соединен с первым испарителем (см. книгу Гохштейн Д.П. и др. Проблема повышения К.П.Д. паротурбинных электростанций. - М.: Госэнергоиздат, 1960, с.120-121, рис.8-9).
Однако недостатком известной автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой также является низкое значение электрического КПД, что влечет за собой неэффективное использование топливного газа и приводит к значительному выбросу тепловых газов в атмосферу.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности работы устройства при выработке электроэнергии.
Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является обеспечение максимального коэффициента использования энергии топлива для производства электроэнергии за счет введения третьего электрогенерирующего модуля с низкокипящим рабочим телом, отличным по свойствам от рабочего тела второго контура, а в качестве источника тепловой энергии для парообразования использования теплового потока выхлопных газов газовой турбины первого модуля.
Указанный технический результат достигается тем, что автономная газотурбинная электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой, содержащая воздухозаборник, компрессор, первую и вторую газовые турбины разной мощности, первый и второй электрогенераторы, рекуператор, первый испаритель, дымосос, первый насос и первый кожухотрубный теплообменник-конденсатор, трубопровод подачи топлива, камеру сгорания, соответствующие входы которой соединены с выходом рекуператора и трубопроводом подачи топлива, выход камеры сгорания соединен со входом первой турбины, соединенную выходом с рекуператором, согласно полезной модели, дополнительно содержит третью турбину Ренкина с третьим электрогенератором, первый, второй и третий выпрямители, второй испаритель, второй кожухотрубный теплообменник-конденсатор, второй насос, инвертор, микропроцессорный блок управления, соединенный с управляющими входами выпрямителей и инвертора, первый датчик тока, установленный на выходе первого выпрямителя, выход которого соединен с первым аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления, второй датчик тока, установленный на выходе второго выпрямителя, выход которого соединен со вторым аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления, третий датчик тока, установленный на выходе третьего выпрямителя, выход которого соединен с третьим аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления; первый датчик напряжения, установленный на выходе первого электрогенератора, выход которого соединен с четвертым аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления, второй датчик напряжения, установленный на выходе второго электрогенератора, выход которого соединен с пятым аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления, третий датчик напряжения, установленный на выходе третьего электрогенератора, выход которого соединен с шестым аналого-цифровым входом микропроцессорного блока управления, рекуператор, первый и второй испарители соединены последовательно, образуя газоход для продуктов сгорания, первый электрогенератор соединен со входом первого выпрямителя, второй электрогенератор соединен со входом второго выпрямителя, третий электрогенератор соединен со входом третьего выпрямителя, выходы выпрямителей соединены со входом постоянного тока инвертора, выход которого является выходом установки.
В предложенной автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой используется возможность более глубокой утилизации тепловой энергии газов, отработанных в газовой турбине. Процесс утилизации тепловой энергии газа осуществляется в рекуператоре и первом и втором испарителях при прохождении через них газового потока отработанных газов. Использование тепловой энергии отработанного газа в контуре третьего электрогенерирующего модуля, позволяет повысить общую мощность турбин и, соответственно, генераторов электрической энергии в трехконтурной схеме газотурбинной электрической станции. Предложенное техническое решение увеличивает эффективность утилизации тепла выхлопных газов.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором представлена блок-схема автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - воздухозаборник компрессора; 2 - компрессор; 3 - первая турбина; 4 - вторая газовая турбина; 5 -третья турбина; 6 - первый электрогенератор; 7 - второй электрогенератор; 8 - третий электрогенератор; 9 - первый выпрямитель; 10 - второй выпрямитель; 11 - третий выпрямитель; 12 - инвертор; 13 - рекуператор; 14 - первый испаритель; 15 - второй испаритель; 16 - дымосос; 17 - первый насос; 18 - второй насос; 19 - первый кожухотрубный теплообменник-конденсатор; 20 - второй кожухотрубный теплообменник-конденсатор; 21 - трубопровод подачи топлива; 22 - камера сгорания; 23 - микропроцессорный блок управления; 24 - первый датчик тока после первого выпрямителя 9; 25 - второй датчик тока после второго выпрямителя 10; 26 - третий датчик тока после третьего выпрямителя 11; 27 - первый датчик напряжения после первого электрогенератора 6; 28 - второй датчик напряжения после второго электрогенератора 7; 29 - третий датчик напряжения после третьего электрогенератора 8.
Автономная газотурбинная электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой является разновидностью теплосиловых установок, содержащих три электрогенерирующих модуля: первый из которых представляет газотурбинную установку, а второй и третий - газотурбинные установки с циклом Ренкина и низкокипящими рабочими телами.
Автономная газотурбинная электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой содержит воздухозаборник (1), компрессор (2), три газовые турбины разной мощности (3,4, 5), три электрогенератора (6, 7, 8), три выпрямителя (9,10,11), выходной инвертор (12), рекуператор (13), два испарителя (14, 15), дымосос (16), два насоса (17, 18) и два кожухотрубных теплообменника-конденсатора (19, 20), трубопровод подачи топлива (21), камеру сгорания (22), соответствующие входы которой соединены с выходом компрессора (2) и трубопроводом подачи топлива (21), выход камеры сгорания (22) подсоединен к входу первой турбины (3), соединенной выходом с первым рекуператором (13). Турбина (3) с компрессором (2), электрогенератором (6), выпрямителем (9), рекуператором (13) образуют первый электрогенерирующий модуль. Второй и третий модули выполнены по одинаковой схеме и содержат турбины Ренкина (4, 5) с электрогенераторами (7, 8) и выходными выпрямителями (10, 11), испарители (14, 15), кожухотрубные теплообменники-конденсаторы (19, 20), насосы (17, 18) для испарения, охлаждения и перекачки рабочих тел. Рекуператор (13) и испарители (14, 15) соединены последовательно, образуя газоход для продуктов сгорания топлива в камере сгорания (22), которые являются источником тепловой энергии для нагрева рабочих тел второго и третьего модулей, а также являются рабочим телом в первом модуле. Выходы выпрямителей (9, 10, 11) соединены с входом постоянного тока инвертора (12), выход которого является выходом устройства. Первый, второй и третий выходы микропроцессорного блока управления (23) соединены соответственно с управляющими входами первого, второго и третьего выпрямителей (9, 10, 11) и четвертый выход микропроцессорного блока управления соединен с управляющим входом инвертора (12). Для управления инвертором (12) используются датчики тока (24, 25, 26), установленные на выходе трех выпрямителей (9, 10, 11) соответственно. Цифровой выход первого датчика тока (24) соединен с первым входом микропроцессорного блока управления (23), выход второго датчика тока (25) соединен со вторым входом микропроцессорного блока управления (23), выход третьего датчика тока (26) соединен с третьим входом микропроцессорного блока управления (23). Для поддержания заданной мощности генераторов (6, 7, 8) на выходе трех генераторов установлены первый (27), второй (28) и третий (29) датчики напряжения, выходы которых соединены с четвертым, пятым и шестым входами микропроцессорного блока управления (23) соответственно.
Основной технологической задачей автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой является выработка электроэнергии с заданными показателями качества. Предложенное схемотехническое решение позволяет повысить электрический КПД устройства до 55-60%, что сказывается на эффективности использования топливного газа.
Предложенная автономная газотурбинная электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой работает следующим образом.
Воздух из воздухоприемника (1) поступает в компрессор (2), где происходит его сжатие до необходимого давления. С выхода компрессора (2) воздух поступает в рекуператор (13) для подогрева, затем поступает в камеру сгорания (22), куда по трубопроводу подачи топлива (21) поступает топливный газ. После сгорания газа продукты сгорания из камеры сгорания (22) поступают в первую турбину (3), обеспечивая вращение вала турбины (3) и электрогенератора (6). Продукты сгорания с выхода турбины (3) поступают в рекуператор (13) для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания (22). С выхода рекуператора (13) продукты сгорания, которые имеют значительную температуру, поступают в первый испаритель (14), где низкокипящая рабочая жидкость превращается в пар. Пар проходит через вторую турбину (4), обеспечивая необходимый крутящий момент для привода второго генератора (7), и затем конденсируется с помощью потока воды в первом кожухотрубном теплообменном аппарате (19) (как вариант, также для охлаждения может использоваться атмосферный воздух). Конденсат рабочего тела первым насосом (17) нагнетается обратно в испаритель (14), таким образом, завершая термодинамический цикл второго контура. Тепловые (выхлопные газы) и охлаждающие (вода) источники напрямую не соприкасаются с рабочим телом и с турбиной. С выхода испарителя (14) продукты сгорания поступают на второй испаритель (15), где происходит испарение второго рабочего тела третьей турбины (5). Пар второго низкокипящего рабочего тела проходит через третью турбину (5), обеспечивая необходимый крутящий момент для привода третьего генератора (8). С выхода второго испарителя (15) продукты сгорания поступают в дымосос (16) и сбрасываются в атмосферу. Отработанный пар второго низкокипящего рабочего тела конденсируется с помощью потока воды во втором кожухотрубном теплообменном аппарате (20). Конденсат рабочего тела вторым насосом (18) нагнетается обратно в испаритель (15), таким образом, завершая термодинамический цикл третьего контура. Выходные выводы первого (6), второго (7) и третьего генераторов (8) соединены с входами первого (9), второго (10) и третьего (11) выпрямителей соответственно, Выводы постоянного тока выпрямителей соединены с общей шиной постоянного тока и входом постоянного тока инвертора (12), выход которого является выходом установки. Микропроцессорный блок управления (23) соединен с управляющими входами выпрямителей (9, 10, 11) и инвертора (12), обеспечивая необходимые качественные показатели генерируемой электроэнергии по величине и частоте во всех режимах работы. Для регулирования инвертора (12) на выходе первого выпрямителя (9) стоит первый датчик тока (24), на выходе второго выпрямителя (10) - второй датчик тока (25), на выходе третьего выпрямителя (11) - третий датчик тока (26), соединенные с входом микропроцессорного блока (23). Для поддержания заданной мощности генераторов (6, 7, 8) на выходе первого генератора (6) установлен первый датчик напряжения (27), на выходе второго генератора (7) установлен второй датчик напряжения (28), на выходе третьего генератора (8) - третий датчик напряжения (29), соединенные входом микропроцессорного блока (23).
Основным преимуществом предложенной автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой является то, что в ней максимально используется энергия топливного газа для выработки электроэнергии. В связи с тем, что в составе автономной газотурбинной электростанции с многоконтурной теплосиловой установкой используется третий электрогенерирующий модуль, выпрямители (9, 10, 11), инвертор (12), то по сравнению с техническим решением, принятым в качестве прототипа, сняты ограничения по скорости и стабильности вращения вала турбогенераторного агрегата, т.е. в этом случае нет необходимости строго выдерживать постоянство скорости вращения турбины (5). Поэтому при изменении расхода газа через турбину и колебаниях давления газа в трубопроводе скорость вращения вала турбины (5) будет изменяться, но это не повлияет на параметры генерируемого напряжения. Частота генерируемого напряжения и его стабильность определяются настройками преобразователя частоты (11), выполненного по схеме многомостового инвертора «с явным звеном постоянного тока», управление выпрямителем (11) осуществляется микропроцессорным блоком (23) на основе данных с датчика тока (26), значение напряжения на выходе генератора (8) определяется датчиком напряжения (29). В качестве датчиков тока (24, 25, 26) могут быть применены датчики постоянного тока серии МР, а в качестве датчиков напряжения (27, 28, 29) датчики напряжения серии VS, выпускаемые фирмой ABB.
В связи с тем, что турбины и электрогенераторы соединены между собой по безредукторной схеме (на одном валу), частота генерируемого напряжения значительно превышает требуемую стандартную частоту промышленной электросети. Для получения электроэнергии с параметрами, нормируемыми ГОСТ 13109-97, используются выпрямители (9, 10, 11) и инвертор тока (12), обеспечивающий генерацию электроэнергии с заданными параметрами при всех изменениях входного напряжения и возмущающих воздействиях постоянно изменяющейся нагрузки.
Предложенная схема автономной газотурбинной электростанция с многоконтурной теплосиловой установкой, выполненная в виде трехмодульного агрегата, позволяет значительно увеличить выработку электроэнергии с параметрами качества, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 13109-97, при существенно меньших габаритах и массе вращающихся агрегатов, при этом уменьшается сжигание газа и уменьшается выброс в окружающую среду продуктов горения газа.