ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики, более конкретно, к газотурбинным установкам (ГТУ), работающим на природном или синтетическом газообразном топливе и может найти применение при создании сравнительно простых стационарных или мобильных энергоустановок на базе конверсионных газотурбинных двигателей небольшой и умеренной мощности для размещения в центрах электрических и тепловых нагрузок, в том числе, в пределах городской застройки.
Известна ГТУ, содержащая многоступенчатый воздушный компрессор, газовую турбину, камеру сгорания, рекуперативный теплообменник для утилизации тепла уходящих газов и систему подачи воды в воздушный тракт компрессора (см. патент РФ №2278286, МПК F02C 1\00, 2006 г.).
Особенностью известной ГТУ является система ступенчатого впрыска воды в ступени компрессора, обеспечивающая изобарное охлаждение окислителя для снижения работы сжатия и повышения термического к.п.д. установки. К недостаткам известного устройства можно отнести недоиспользование тепла уходящих из ГТУ газов и повышенное содержание в них оксидов азота.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является ГТУ, содержащая многоступенчатый воздушный компрессор, газовую турбину, камеру сгорания, по крайней мере, один рекуперативный теплообменник и систему подачи воды в газовый тракт окислителя (см. Фаворский О.Н., Бессмертных А.В., Григорьянц P.P. и др. Новые пути повышения эффективности конверсионных ГТУ газопарового цикла малой мощности. Ж. Теплоэнергетика, №6, 2005 г., с.48 - прототип).
Известная ГТУ содержит рекуперативный теплообменник-регенератор для подогрева влажного воздуха уходящими газами ГТУ и оборудование для системы впрыска воды в тракт многоступенчатого воздушного компрессора. При этом установка оборудована дожимным компрессором для повышения давления природного газа из городской магистрали. Достоинствами известной ГТУ, созданной на базе конверсионных газотурбинных двигателей, являются сравнительно простая схема установки, повышенные к.п.д. и удельная мощность.
К недостаткам известной ГТУ следует отнести затраты мощности на привод дожимного компрессора природного газа, повышенные значения температуры уходящих газов, а также сравнительно высокий уровень эмиссии оксидов азота и углерода в продуктах сгорания на выходе ГТУ.
Решаемой задачей является создание сравнительно простой и экономичной энергоустановки на базе конверсионных газотурбинных двигателей для работы по газопаровому циклу с регенеративным подогревом воздушно-паровой смеси. Дополнительно к указанной решается задача повышения экологической безопасности ГТУ путем снижения эмиссии оксидов азота в уходящих газах при работе на природном или синтетическом газообразном топливе.
Решение указанной задачи достигается тем, что в известной ГТУ, содержащей многоступенчатый воздушный компрессор, газовую турбину, камеру сгорания с системой подачи газообразного топлива, по крайней мере, один рекуперативный теплообменник и систему подачи воды в тракт окислителя, согласно полезной модели, установка содержит первый и второй рекуперативные теплообменники, горелочное устройство на выходе газовой турбины и парогазовый эжектор для повышения давления газового топлива от давления в городской магистрали до давления в камере сгорания, причем выход указанного компрессора соединен по магистрали влажного воздуха через первый рекуперативный теплообменник и низкотемпературную секцию второго рекуперативного теплообменника с первым входом камеры сгорания, выход водяной магистрали первого рекуперативного теплообменника соединен через высокотемпературную секцию второго рекуперативного теплообменника и основной тракт парогазового эжектора с вторым входом камеры сгорания, выход газовой турбины соединен через указанное горелочное устройство по магистрали продуктов сгорания с входом второго рекуперативного теплообменника, система подачи воды в тракт окислителя дополнена средствами для ее впрыска в трубопроводы магистрали влажного воздуха в области низкотемпературной секции второго рекуперативного теплообменника, а трубопроводы системы подачи газообразного топлива соединены с входом горелочного устройства и дополнительным входом парогазового эжектора.
Такое выполнение ГТУ решает поставленную задачу создания сравнительно простой и экологической безопасной энергоустановки на базе конверсионных газотурбинных двигателей для работы на природном или синтетическом газообразном топливе по газопаровому циклу с регенеративным подогревом воздушно-паровой смеси. При этом повышается эффективность ГТУ за счет снижения потерь тепла и оптимального изменения температуры паровоздушной смеси в секциях компрессора, первого и второго рекуперативных теплообменников, в эжекторе и камере сгорания.
Расход воды на впрыск в многоступенчатый воздушный компрессор по его ступеням ограничен величиной 2-2,5% от расхода воздуха и определяется необходимостью поддержания к.п.д. компрессора на достаточно высоком уровне. Расход воды на впрыск в воздушную магистраль после компрессора определяется парциальным давлением паров воды по ходу паровоздушной смеси с тем, чтобы температура испарения воды в воздушном потоке и температура смеси всегда были ниже температуры продуктов сгорания в любой точке воздушной магистрали.
Ввод в камеру сгорания гомогенной газопаровой смеси после эжектора и компримированного подогретого воздуха с парами воды обеспечивает подавление эмиссии оксидов азота за счет снижения теоретической температуры горения, что чрезвычайно важно для энергоустановок, работающих в пределах городской застройки. Дальнейшее снижение уровня эмиссии оксидов азота достигается за счет создания гомогенной смеси воздуха, паров воды и топливного газа на входе в камеру сгорания в соотношении от 1:1 до 4:1.
На фиг.1 приведена принципиальная схема ГТУ.
Энергоустановка содержит многоступенчатый воздушный компрессор 1, газовую турбину 2, камеру сгорания 3, первый рекуперативный теплообменник 4 воздух - вода и второй рекуперативный теплообменник 5 на продуктах сгорания. Теплообменник 5 включает высокотемпературную секцию для испарения воды, поступающей по водяной магистрали из первого рекуперативного теплообменника 4, и низкотемпературную секцию для нагрева паровоздушной смеси, поступающей из первого рекуперативного теплообменника.
Горелочное устройство 6 предназначено для дожигания окислителя на выходе из газовой турбины 2, а парогазовый эжектор 7 - для повышения давления газового топлива от давления в городской магистрали до давления в камере сгорания 3.
Выход компрессора 1 соединен по магистрали влажного воздуха через первый рекуперативный теплообменник 4 и низкотемпературную секцию второго рекуперативного теплообменника 5 с первым входом камеры сгорания 3. Выход водяной магистрали первого рекуперативного теплообменника 4 соединен через высокотемпературную секцию второго рекуперативного теплообменника 5 и основной тракт парогазового эжектора 7 с вторым входом камеры сгорания 3. Выход газовой турбины 2 соединен через горелочное устройство 6 по магистрали продуктов сгорания с входом второго рекуперативного теплообменника 5.
При этом система подачи воды в тракт окислителя дополнена средствами для ее впрыска в трубопроводы магистрали влажного воздуха в области низкотемпературной секции указанного теплообменника 5 (показано стрелками).
Трубопроводы городской магистрали системы подачи газообразного топлива соединены с входом горелочного устройства 6 и дополнительным входом парогазового эжектора 7. Воздушный компрессор 1 снабжен системой подачи химически очищенной воды на его вход, между ступенями и на выход последней ступени с помощью насоса 8, а для подачи химически очищенной воды в водяную магистраль первого рекуперативного теплообменника 4 установлен питательный насос 9. Газовая турбина 2 нагружена на компрессор 1 и турбогенератор 10. ГТУ снабжена необходимой контрольной и запорно-регулирующей аппаратурой (не показана).
Газотурбинная установка работает следующим образом.
С помощью системы запуска (не показана) осуществляют пуск ГТУ в режиме холостого хода. При этом компрессор 1 обеспечивает сжатие и подачу в магистраль очищенного фильтрами атмосферного воздуха. С помощью насоса 8 и форсунок (не показаны) на вход в рабочее пространство компрессора, между ступенями и на выход впрыскивают расчетное количество химически очищенной воды. Капли жидкости увлекаются турбулентным потоком сжатого воздуха в компрессоре, интенсивно смешиваются с ним и испаряются. Известно, что впрыскивание воды в многоступенчатый воздушный компрессор в количестве до 2,5% от расхода воздуха обеспечивает снижение мощности на его привод и уменьшение температуры воздуха на выходе по сравнению с процессом сжатия сухого воздуха.
С целью осуществления более глубокой регенерации тепла уходящих газов турбины осуществляют дальнейшее снижение температуры воздуха после компрессора до 70-100°С в первом рекуперативном теплообменнике 4, охлаждаемом питательной водой от насоса 9. При этом нагретый влажный воздух от компрессора 1 охлаждается, отдавая часть тепла питательной воде в первом рекуперативном теплообменнике 4. Таким образом, тепло воздуха, отбираемое после воздушного компрессора 1, полностью возвращается в цикл газотурбинной установки. Одновременно осуществляют подачу воды в трубопроводы магистрали влажного воздуха в области низкотемпературной секции второго рекуперативного теплообменника 5, в котором воздух дополнительно нагревается и увлажняется.
После этого влажный воздух поступает на первый вход камеры сгорания 3. Питательная вода, поступающая по водяной магистрали из первого рекуперативного теплообменника 4, испаряется в высокотемпературной секции теплообменника 5 и поступает на вход основного тракта парогазового эжектора 7, повышая давление газового топлива, поступающего на дополнительный вход эжектора из трубопроводов городской магистрали до давления в камере сгорания 3. При этом гомогенная смесь пара и газообразного топлива поступает на второй вход камеры сгорания 3.
По существу парогазовый эжектор является смесительным устройством, в котором эжектирующий перегретый пар повышает давление топливного газа до необходимого давления в камере сгорания. При этом параметры перегретого пара (давление, расход, температура) выбираются так, чтобы обеспечить отсутствие конденсации пара в смеси с топливным газом. Сжигание полученной топливо-паро-воздушной смеси в камере сгорания 3 обеспечивает необходимые режимы работы газовой турбины 2.
В пределах городской застройки давление газа ограничено 0,6 МПа, а в периоды максимальных нагрузок - ниже 0,4 МПа, так что для известных газотурбинных установок требуется введение дожимного компрессора природного газа, на привод которого расходуется дополнительная мощность в количестве до 5% номинальной мощности ГТУ. Указанный парогазовый эжектор 7 позволяет исключить дожимной компрессор, исключив потери мощности на его привод.
Для регулирования параметров перегретого пара, направляемого в эжектор 7, в газотурбинной установке предусмотрено дожигание несгоревшего окислителя и подводимого газа в горелочном устройстве 6, что снижает количество вредных выбросов и дополнительно повышает тепловую эффективность ГТУ. Параметры эжектирующего пара (расход, давление, температура) регулируются в зависимости от режима работы газотурбинной установки, в том числе, с помощью горелочного устройства, дожигающего окислитель из продуктов сгорания.
3
Термодинамически равновесные концентрации оксидов азота (до 600 ppm) в условиях сжигания стехиометрических смесей метана с воздухом при Т=1860°С устанавливаются за время около 0,5 с, при этом скорость наработки оксидов азота достигает около 10 ррm/с. При сжигании смеси пара с метаном максимальная температура в высокотемпературной зоне горения камеры сгорания 3 падает приблизительно на 100-300°С (при соотношении пар-метан в смеси от 1:1 до 4:1 соответственно).
Это приводит к снижению в продуктах сгорания термодинамически равновесной концентрации оксидов азота (примерно в 2 раза), а также к резкому снижению скорости их наработки (более, чем в 5 раз).
Решению поставленной выше задачи способствует также включение в состав ГТУ первого и второго рекуперативных теплообменников 4, 5. Использование высокотемпературной секции (парогенератора) во втором рекуперативном теплообменнике 5 и парогазового эжектора 7 обеспечивает высокую однородность парогазового потока и существенное повышение термодинамических параметров природного газа на входе в камеру сгорания 3.
В ОИВТ РАН проведены необходимые экспериментальные и теоретические исследования, которые подтвердили высокую эффективность и экологические характеристики предложенной газотурбинной установки. Использование предложенной ГТУ перспективно при создании стационарных или мобильных энергоустановок на базе конверсионных газотурбинных двигателей умеренной мощности для размещения в центрах электрических и тепловых нагрузок, в том числе, в пределах городской застройки.