ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к области энергетики и предназначена для эффективного использования механической энергии и отработанных продуктов сгорания газотурбинных установок (ГТУ) вне их с получением электричества, тепла, других видов энергии и расширения диапазона их использования.
В настоящее время сокращаются запасы природных топлив, и удорожается их добыча. Кроме того, загрязнение окружающей среды, сопряженное с жизнедеятельностью человека, вызывает ухудшение экологии окружающей среды, требует уменьшение вредных выбросов в атмосферу и разработки экологически «чистых» ГТУ.
В ГТУ, ГТД, приводах газоперекачивающих агрегатов природного газа, в топках водогрейных котлов, на теплоэлектростанциях и в сфере быта широко используется газообразное топливо.
Под газообразным топливом понимается природный газ, попутный газ (образующийся при переработке нефти), сланцевый газ (ныне широко используемый в США), синтез-газ и биогаз, а также газообразный водород.
Преимущество газообразного топлива относительно жидкого и твердого топлив заключается в возможности обеспечения лучшего его смешения с окислителем (воздухом) и образованием гомогенной, а не гетерогенной газовоздушной среды. Это способствует повышению полноты сгорания смеси и улучшению экологических показателей продуктов сгорания установок (применительно например, к оксидам азота), что связано, прежде всего, с меньшим временем пребывания гомогенной газовоздушной смеси в ядре пламени.
Известна газотурбинная установка (см. «Мотор Сич. От поршневых - к газотурбинным». - Запорожье. - 2000 г., стр. 127-129).
к
1T
Принцип действия простейшей схемы ГТУ, например, ГТУ ПАЭС-2500 из представленной книги, заключается в сжатии атмосферного воздуха в компрессоре, его направлении в камеру сгорания для смешения с топливом и сжигания полученной топливовоздушной смеси, продукты сгорания которой направляются в турбину. Мощность турбины из-за повышенной температуры газа превосходит мощность воздушного компрессора, что позволяет получать избыточную механическую энергию, используемую в частности, в электрогенераторе. Однако достаточно высокий к.п.д. простейшей схемы ГТУ достигается только при высокой степени повышения полного давления воздуха π в компрессоре и повышении температуры газа перед турбиной Τ, что обуславливает высокую стоимость ГТУ и снижение ее надежности.
Известна также газотурбинная система по патенту USA №5185997 с приоритетом от 16.02.1993 года. Техническое решение содержит компрессор, камеру сгорания, турбину с электрогенератором, причем компрессор механически связан с турбиной. Однако температура выхлопных газов за турбиной в этой системе достаточно велика, что не позволяет достичь высокой эффективности энергосистемы.
Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов, по патенту США «Brayton Cycle Yndustrial Cycle Air Compression» №5586429 от 24.12.1996 г и принятое за прототип.
В соответствии с прототипом газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, камеру сгорания, турбину с электрогенератором, теплообменник с нагреваемым и нагревающим контурами, источник топлива с вентилем. Воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом через вентиль и нагреваемый контур теплообменника с камерой сгорания. Камера сгорания соединена с источником топлива и с входом турбины, выход которой через нагревающий контур теплообменника, соединен с атмосферой. Турбина механически соединена с воздушным компрессором.
к
1T
0
0
В ГТУ тепло продуктов сгорания в теплообменнике нагревает воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, а турбина работает на продуктах сгорания топлива, поступающих из камеры сгорания. Продукты сгорания топлива из теплообменника направляют в атмосферу. ГТУ этой схемы может иметь более высокий к.п.д. при достаточно низких значениях π и Τ. Однако работа ГТУ традиционной схемы на низкокалорийных топливах приводит к повышенным потерям тепла с продуктами сгорания по сравнению с работой ГТУ на высококалорийном топливе и снижению кпд установки. Это связано с тем, что расход газа через турбину значительно превышает расход воздуха через компрессор из-за использования большого количества низкокалорийного топлива для достижения заданной температуры газа перед турбиной. В частности, одной из особенностей теплофизических свойств биогаза и синтез-газа является низкое значение стехиометрического отношения расходов воздуха и топлива (L=1-2), что в среднем на порядок меньше величины L природного газа. Отсюда - недостаточно высокая эффективность и узкий диапазон потребительских свойств ГТУ.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- повышение кпд газотурбинной установки при работе на низкокалорийном газообразном топливе;
x
- снижение эмиссии вредных веществ (NO и CO) в продуктах сгорания на основных режимах при работе на низкокалорийном газообразном топливе, при исключении заметного снижения полноты сгорания на переходных режимах;
- расширение арсенала технических эффектов, достигаемых при работе установки.
Поставленные задачи решаются тем, что газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, газовую турбину и потребитель механической энергии, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, камеру сгорания и источник топлива. Компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур теплообменника с входом камеры сгорания. Причем вход камеры сгорания соединен трубопроводом через вентиль и с источником топлива, а выход - с входом газовой турбины. При этом выход газовой турбины через нагревающий контур теплообменника и трубопровод соединен с атмосферой.
Новым в полезной модели является то, что установка дополнительно содержит второй теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами и потребитель продуктов сгорания. Источник топлива соединен после вентиля с входом камеры сгорания через нагреваемый контур второго теплообменника. Нагревающий контур второго теплообменника на входе трубопроводом соединен с выходом газовой турбины, а на выходе - через вентиль и потребитель продуктов сгорания с атмосферой.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:
- наличие в установке дополнительно второго теплообменника с нагревающим и нагреваемым контурами и потребителя продуктов сгорания обеспечивает расширение арсенала технических эффектов;
- соединение источника топлива после вентиля с входом камеры сгорания через нагреваемый контур второго теплообменника, нагревающий контур которого на входе соединен с выходом газовой турбины позволяет осуществлять предварительный нагрев топлива перед подачей в камеру сгорания от нагретых продуктов сгорания после газовой турбины, что позволяет повысить кпд ГТУ за счет уменьшения количества потребляемого топлива при его подогреве перед подачей в камеру сгорания,;
- соединение выхода газовой турбины с атмосферой после нагревающего контура второго теплообменника через вентиль и потребитель продуктов сгорания обеспечивает повышение кпд и расширение потребительских качеств ГТУ за счет повышения температуры топлива при входе в камеру сгорания и возможности использования тепла части выхлопных газов.
Существенные признаки полезной модели могут иметь развитие и продолжение.
Потребитель механической энергии может быть выполнен, например, в виде электрогенератора, что позволяет удовлетворять потребность в электроэнергии.
Нагревающие контуры теплообменников могут быть выполнены в виде единого контура, что позволяет сократить общую наружную поверхность единого теплообменника и таким образом уменьшить потери тепла в окружающую среду и повысить кпд установки, а также уменьшить металлоемкость и стоимость ГТУ.
Газотурбинная установка может содержать дополнительный потребитель продуктов сгорания соединенный через вентиль с выходом нагревающего контура теплообменника, где вход нагревающего контура теплообменника соединен с выходом турбины, а выход - с атмосферой через трубопровод с вентилем. Это позволяет существенно увеличить полезное использование продуктов сгорания установки, т.е. расширить арсенал технических эффектов, достигаемых при работе установки.
Для газотурбинной установки предпочтительно использовать топливо в газообразном виде. Это обеспечивает повышение полноты сгорания топлива за счет достижения большей степени гомогенизации газовоздушной смеси против использования, например, жидкого топлива. На основании экспериментальных исследований известно, что полнота сгорания газообразного топлива на 2,0-3,0% выше полноты сгорания жидкого топлива.
Источник топлива может содержать топливо из промышленных отходов, например продуктов переработки нефти. Это позволяет эффективно использовать попутный газ, образующийся в процессе переработки нефти, который, как правило, сжигается в факелах на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Использование попутного газа в качестве топлива заметно снижает удельную стоимость вырабатываемых электроэнергии и тепла, а также улучшает экологические показатели атмосферы при эксплуатации ГТУ, расположенные вблизи НПЗ. Пример такого рационального использования попутного газа при работе ГТУ ПАЭС-2500 имеется при частичном снабжении электроэнергией города Славянска-на-Кубани (Краснодарский край).
Источник топлива может содержать топливо в виде продуктов утилизации бытовых отходов и продуктов утилизации канализационных стоков. Это заметно улучшает экологические показатели региона, так как позволяет исключить выбросы отходов в окружающую среду. Примером может служить опыт работы Курьяновской очистной станции в Юго-Восточном округе гор. Москвы, где за счет сжигания биогаза, образующегося при переработке канализационных стоков, снижается на 40% внешнее потребление электроэнергии на собственные нужды.
Источник топлива может содержать топливо в виде утилизации продуктов растительного происхождения. Это позволяет широко использовать возобновляемое растительное сырье (отходы лесоперерабатывающей промышленности и сельскохозяйственного производства: лузгу, кукурузную ботву и др.).
Газотурбинная установка может содержать дополнительно газовый компрессор с приводом, установленный между вентилем источника газообразного топлива и нагреваемым контуром второго теплообменника. Это обеспечивает расширение возможностей ГТУ за счет использования газового топлива низкого (в том числе атмосферного) давления.
Потребители механической энергии газотурбинной установки могут быть выполнены в виде насоса подачи жидкости, дополнительного компрессора, детандера или других приводных устройств.
Потребители продуктов сгорания могут быть выполнены в виде нагревателя текучей среды, котла-утилизатора, коллектора инертных газов или, например, установки по производству товарной двуокиси углерода (патент GB №2 140 873, опуб. 5 декабря 1984).
Это расширяет потребительские возможности ГТУ для использования при эксплуатации.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели для газотурбинных установок задачи. Предложенная ГТУ позволяет:
- повысить кпд при работе на низкокалорийном газообразном топливе;
x
- снизить эмиссию вредных веществ (NO и CO) в продуктах сгорания на основных режимах при работе на низкокалорийном газообразном топливе, при исключении заметного снижения полноты сгорания на переходных режимах;
- расширить арсенал технических эффектов, получаемых при работе установки.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием ГТУ и ее работы с иллюстрациями представленными на фиг. 1, 2, где:
на фиг. 1 изображена схема базовой ГТУ;
на фиг. 2 - варианты модернизации ГТУ.
Газотурбинная установка (см. фиг. 1) содержит воздушный компрессор 1, газовую турбину 2 и потребитель 3 механической энергии, установленные на одном валу, теплообменник 4 с нагревающим и нагреваемым контурами соответственно 5, 6, камеру сгорания 7 и источник 8 топлива. Где компрессор 1 входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур 6 теплообменника 4 с входом камеры сгорания 7. Причем вход камеры сгорания 7 соединен трубопроводом через вентиль 9 и с источником 8 топлива, а выход - с входом газовой турбины 2. Установка дополнительно содержит второй теплообменник 10 с нагревающим и нагреваемым контурами соответственно 11, 12 и потребитель 13 продуктов сгорания. Источник топлива 8 соединен после вентиля 9 с входом камеры сгорания 7 через нагреваемый контур 12 второго теплообменника 10. Нагревающий контур 11 теплообменника 10 на входе трубопроводом соединен с выходом газовой турбины 2, а на выходе - через вентиль 14 и потребитель 13 продуктов сгорания с атмосферой. Потребитель 3 механической энергии выполнен, например, в виде электрогенератора. Потребители продуктов сгорания также могут быть выполнены в виде нагревателя текучей среды, котла-утилизатора, коллектора инертных газов или, например, установки по производству товарной двуокиси углерода (патент GB №2 140 873, опуб. 5 декабря 1984).
Нагревающие контуры 5, 11 соответственно теплообменников 4, 10 могут быть выполнены в виде единого контура (см. фиг. 2). Кроме того, установка содержит дополнительный потребитель 15 продуктов сгорания, соединенный через вентиль 16 с выходом нагревающего контура 5, 11 объединенного теплообменника 4, 10. Здесь выход нагревающего контура теплообменника соединен с атмосферой через трубопровод с вентилем 17. Источник 8 содержит топливо газообразного вида. Это топливо может быть продуктами утилизации промышленных и бытовых отходов, продуктами утилизации канализационных стоков и растительного сырья. Газотурбинная установка дополнительно содержит газовый компрессор 18 с приводом, установленный на трубопроводе между вентилем 9 источника 8 газообразного топлива и нагреваемом контуром 12 второго теплообменника 10 (см. фиг. 1) или теплообменника 4, 10 (см. фиг. 2).
Газотурбинная установка работает следующим образом. Электрогенератор 3 (см. фиг. 1) в режиме стартера раскручивает вал с воздушным компрессором 1 и газовой турбиной 2. Компрессор 1 всасывает из атмосферы воздух, сжимает его с нагревом и направляет в нагреваемый контур 6 теплообменника 4 и далее через камеру сгорания 7 в турбину 2. Из турбины 2 воздух направляют через нагревающий контур 5 в атмосферу. Одновременно из источника 8 газообразного топлива через открытый вентиль 9 и нагреваемый контур 12 второго теплообменника 10 топливо поступает в камеру сгорания 7, где оно после воспламенения в потоке воздуха сгорает. Образующиеся горячие газообразные продукты сгорания поступают в газовую турбину 2, выходя из которой проходят через нагревающий контур 5 теплообменника 4, где отдают часть тепловой энергии воздуху, идущему из воздушного компрессора 1 через нагреваемый контур 6 теплообменника 4 и направляются в атмосферу. Кроме того, часть продуктов сгорания после газовой турбины 2 направляется в нагревающий контур 11 второго теплообменника 10. После чего частично охлажденный газ через вентиль 14 поступает к потребителю 13 продуктов сгорания и далее в атмосферу. Горячий газ в турбине 2 расширяясь, создает на валу ГТУ механическую энергию, часть которой расходуется на привод воздушного компрессора 1, а оставшаяся часть идет на снабжение потребителя механической энергии 3, например электрогенератора.
В варианте, когда нагревающие контуры 5, 11 соответственно теплообменников 4, 10 выполнены в виде единого контура (см. фиг. 2) продукты сгорания из газовой турбины 2 полностью проходят через единый контур 5, 11 теплообменника и отводятся в атмосферу.
В варианте когда установка содержит дополнительный потребитель 15 продуктов сгорания, соединенный через вентиль 16 с выходом нагревающего контура 5, теплообменника 4 продукты сгорания из нагревающего контура 5 поступают в атмосферу тремя потоками: через вентиль 16 и дополнительный потребитель продуктов сгорания 15, через вентиль 17, через вентиль 14 и потребитель продуктов сгорания 13.
Установка топливного компрессора 18 (см. фиг. 2) между источником газообразного топлива 8 с вентилем 9 и нагреваемым контуром 14 дополнительного теплообменника 12, позволяет при необходимости повышать давление газообразного топлива до давления воздуха в камере сгорания 7.
Установка режима работы турбокомпрессора ГТУ выполняется соответствующим открытием вентиля 9. Регулирование подачи продуктов сгорания потребителю 13 осуществляется вентилем 14. Регулирование подачи продуктов сгорания потребителю 15, при обеспечении постоянства режима работы турбокомпрессора, осуществляется вентилями 16 и 17.
Предлагаемое техническое решение может найти полезное применение в первую очередь при использовании биогаза или синтез-газа в качестве топлива для ГТУ. Актуальность предложения подтверждается концептуальным документом «Энергетическая программа России до 2020 года», утвержденная распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 г. №1234-р. В программе ставится задача «преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии», в том числе на основе утилизации отходов жизнедеятельности людей.