УТИЛИЗАЦИОННАЯ ТУРБОУСТАНОВКА
DISPOSAL TURBINE PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть применено для автономного электроснабжения различных объектов, где используются судовые или стационарные двигатели внутреннего сгорания, а также газотурбинные двигатели (ГТД). Наибольший эффект может быть получен при использовании изобретения для электроснабжения линейных компрессорных станций (КС) газотранспортной системы, осуществляемого за счет утилизации тепла выхлопных газов ГТД, применяемых в газоперекачивающих агрегатах (ГПА). Основным критерием выбора утилизационной турбоустановки для автономного электроснабжения линейных КС, особенно отдаленных КС, работающих в районах Крайнего Севера, являются простота и надежность ее работы в характерных для этих КС условиях эксплуатации.
Указанным требованиям наилучшим образом соответствуют утилизационные турбоустановки, реализующие цикл Брайтона с использованием в качестве рабочего тела воздуха или выхлопных газов ГТД.
Известно устройство (патент US №5,927,065, МПК F02C 6/18 от 16.07.1996 г., опубл. 27.07.1999 г., фиг. 1), основанное на утилизации тепла выхлопных газов ГТД путем установки на выхлопе основной газовой турбины 6 рекуперативного воздухоподогревателя 3 с дополнительным воздушным компрессором 8 и воздушной турбиной 9 для выработки воздухом по циклу Брайтона дополнительной полезной мощности. Его недостатками являются невысокий КПД устройства (малая удельная выработка механической энергии в отношении к расходу выхлопных газов основной турбины 6), а также снижение мощности турбины 6 и КПД надстраиваемого ГТД из-за потерь давления в газовом тракте воздухоподогревателя 3.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является «Силовая установка с перерасширением рабочего тела за силовой турбиной без стандартного газогенератора», приведенная в монографии Б.Х. Перельштейна «Новые энергетические системы». Казань, КГТУ, 2008, (с. 10, рисунок 1.4), содержащая силовую газовую турбину 4, кинематически связанную с потребителем механической мощности (турбогенератором), сообщенную на входе по газу с выходом источника горячего газа - основного ГТД - по газу, холодильник (газоохладитель) 2, дожимающий компрессор 3, сообщенный на входе по газу с газоохладителем 2, на выходе по газу - с атмосферой, а также установленные на одном валу с ротором дожимающего компрессора 3 пуско-приводной электродвигатель 5 и приводную турбину перерасширения 1, сообщенную на входе по газу с выходом силовой турбины 4 по газу, на выходе по газу - с входом дожимающего компрессора 3 по газу.
Силовая турбина 4 и приводная турбина перерасширения 1 работают на перепаде давления газа, создаваемом дожимающим компрессором 3. При достаточно малой мощности турбогенератора (относительно тепловой мощности выхлопа основного ГТД) возможно исполнение прототипа, обеспечивающего, помимо привода турбогенератора, поддержание давления перед силовой турбиной 4 на уровне ниже атмосферного, что позволяет повысить КПД основного ГТД. Однако этот эффект достигается только при достаточно высокой температуре и фиксированном расходе выхлопного газа. Проблема регулирования работы устройства при переменных нагрузках на валу силовой турбины и при изменении параметров выхлопных газов основного ГТД, весь выхлоп которого направляется в силовую турбину, в прототипе не решена. Кроме того, высокая степень сжатия (3,5) в дожимающем компрессоре прототипа приводит к увеличению габаритов и металлоемкости газоохладителя, а также к усложнению конструкции и увеличению размера лопаток силовой и приводной турбин 4 и 1 и дожимающего компрессора 3.
Целью заявляемого устройства является устранение указанных недостатков. Техническими результатами изобретения являются снижение металлоемкости оборудования турбоустановки и обеспечение автономного электроснабжения объектов с ГТД (или других двигателей внутреннего сгорания) на тепле выхлопных газов этих двигателей во всем эксплуатационном диапазоне с одновременным повышением их КПД путем передачи избыточной по сравнению с текущим электропотреблением мощности утилизационной турбоустановки на вал ГТД или других двигателей внутреннего сгорания посредством снижения давления на выхлопе этих двигателей.
Определение из перечня выявленных аналогов указанного прототипа как наиболее близкого технического решения по совокупности признаков позволило выявить в заявляемом устройстве определенную в нижеприведенной формуле изобретения совокупность существенных отличительных признаков по отношению к усматриваемому техническому результату.
Заявляемая утилизационная турбоустановка содержит турбогенератор, силовую газовую турбину, кинематически связанную с турбогенератором, сообщенную на входе по газу с выходом источника горячего газа по газу, газоохладитель, сообщенный на входе по газу с выходом силовой газовой турбины по газу, дожимающий компрессор, сообщенный на входе по газу с выходом газоохладителя по газу, на выходе по газу - с атмосферой. Согласно изобретению дожимающий компрессор установлен на одном валу с силовой газовой турбиной, а утилизационная турбоустановка содержит байпасный газоход, сообщенный на входе по газам с выходом источника горячего газа по газу, дополнительный газоохладитель, установленный на выходе байпасного газохода по газам, и дымосос, сообщенный на входе по газу через тракт дополнительного газоохладителя по газу с выходом байпасного газохода по газу, на выходе по газу - с атмосферой, при этом либо дымосос снабжен приводным электродвигателем с преобразователем частоты сетевого переменного тока, электрически связанным с турбогенератором, либо ротор дымососа кинематически связан с валом силовой газовой турбины, а турбогенератор снабжен устройством преобразования частоты генератора переменного тока, выполненным с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды.
Преобразователь частоты сетевого переменного тока (частотный преобразователь, далее - ПЧС) - это устройство, осуществляющее преобразование сетевого трехфазного или однофазного переменного тока с частотой 50 (60) Гц в трехфазный или однофазный ток с частотой от 1 до 800 Гц и предназначенное для плавного регулирования оборотов асинхронного или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты [Источник: Частотный преобразователь (электропривод) // Википедия, 15.09.2015].
Устройство преобразования (преобразователь) частоты генератора переменного тока (далее - ПЧГ) - это устройство, осуществляющее преобразование вырабатываемого электрогенератором трехфазного или однофазного переменного тока с напряжением меняющейся частоты и амплитуды на переменных нагрузках в трехфазный или однофазный ток с напряжением неизменной частоты и амплитуды [Источник: патент РФ №2522896, бюл. №20, опубл. 20.07.2014 и др.]. Кинематически связан - снабжен кинематической связью.
Кинематическая связь - это связь движущихся элементов между собой, состоящая из одной или нескольких механических, электрических, гидравлических и других кинематических цепей, через которые осуществляются требуемые исполнительные движения [Источник: «Кинематические связи в станках» // http://www.autowelding.ru/publ/l/metallorezhushhie_stanki/kinematicheskie_sviazi_v_stankakh/14-1-0-79]. Кинематически связан (в данном случае) - снабжен устройством механической и/или электрической передачи крутящего момента [Источник: «Способы передачи мощности и крутящего момента от главного двигателя к движителю» // http://seadiesel.ru/subcategory/peredacha_krutyashego_momenta.html].
Силовая турбина, газоохладитель и дожимающий компрессор выполнены с возможностью выработки требуемой мощности для заданной минимальной температуры газа за ГТД, которая может иметь место в реальных условиях эксплуатации ГТД. Благодаря наличию байпасного газохода между выходом источника горячего газа (например, ГТД) по газу и атмосферой расход газа в силовую турбину заявляемого устройства, в отличие от прототипа, не зависит от расхода газа на выхлопе ГТД, а определяется только текущей температурой газа и пропускной способностью силовой турбины, что обеспечивает возможность регулирования работы устройства на переменных нагрузках турбогенератора и при изменении параметров выхлопных газов основного ГТД.
В варианте турбоустановки с дымососом, снабженным приводным электродвигателем с ПЧС, поддержание частоты переменного тока в электросети на постоянном уровне 50 (60) Гц при изменении температуры газа перед силовой турбиной или электропотребления в электросети осуществляется путем поддержания оборотов турбогенератора на требуемом уровне за счет варьирования электрической нагрузки посредством регулируемого изменения подачи электропитания на привод дымососа, являющегося, по сути, дожимным компрессором с малой степенью сжатия. Избыточная по сравнению с текущим электропотреблением мощность утилизационной турбоустановки будет, таким образом, расходоваться на увеличение мощности и, соответственно, оборотов дымососа с соответствующим увеличением степени разряжения на выхлопе ГТД и, следовательно, мощности и КПД ГТД.
В варианте турбоустановки с турбогенератором, снабженным ПЧГ, и дымососом, кинематически связанным с валом силовой турбины, тот же технический результат - разрежение на выхлопе ГТД - также достигается путем использования избыточной (по сравнению с текущим электропотреблением) мощности турбоустановки для увеличения оборотов дымососа, только в этом случае обороты дымососа меняются вместе с оборотами турбогенератора и устанавливаются на уровне, при котором мощность турбоустановки оказывается равной сумме мощностей турбогенератора и дымососа, сами собой (автоматически), без применения специальных средств автоматического регулирования, а требуемый уровень частоты переменного тока в электросети 50 (60) Гц в этом варианте обеспечивает ПЧГ.
Другой технический результат заявляемого изобретения - снижение габаритов и металлоемкости оборудования турбоустановки - достигается, в первую очередь, за счет снижения расхода газа, подаваемого в силовую турбину. Так, для линейных КС, укомплектованных, большей частью, ГТД мощностью 16-25 МВт, мощность внутреннего электропотребления на КС находится в пределах 400-700 кВт. Для выработки такой мощности заявляемым устройством потребуется, по оценке заявителя, подать в силовую турбину устройства всего лишь порядка 12-16% от общего расхода газа на выхлопе ГТД мощностью 25 МВт и порядка 20-25% выхлопа ГТД 16 МВт. Кроме того, оптимальный уровень степени сжатия в дожимающем компрессоре оказывается значительно меньше, чем в прототипе. Это связано с тем, что зависимость величины расхода газа в силовую турбину от степени сжатия в дожимающем компрессоре при фиксированной мощности является пологой, а зависимость коэффициента теплоотдачи со стороны газа от давления близка к линейной. Так например, со снижением степени сжатия от 3,1 до 2,1 отвод тепла из газоохладителя вследствие увеличения расчетной подачи горячего газа в силовую турбину и повышения температуры за силовой турбиной при неизменной мощности турбогенератора возрастет примерно в 1,11-1,15 раза, а коэффициент теплопроводности со стороны газа повысится, примерно, в 1,4 раза - в итоге суммарная поверхность теплообмена газоохладителя уменьшится в 1,2-1,25 раза, при этом также уменьшатся размеры лопаток первой ступени и снизится число ступеней дожимающего компрессора, а также уменьшатся размеры лопаток силовой турбины.
В ходе проведенного анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-исследовательским источникам информации, а также выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, технического решения, характеризующегося признаками, тождественными (эквивалентными) признакам заявляемого изобретения, не обнаружено, при этом изобретение не вытекает явным для специалиста образом из известного уровня техники.
Сущность изобретения поясняется схематическими чертежами, представленными на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведена утилизационная турбоустановка в варианте с дымососом, снабженным приводным электродвигателем с ПЧС (далее - вариант с ПЧС), на фиг. 2 - в варианте с турбогенератором, снабженным ПЧГ, и дымососом, кинематически связанным с валом силовой турбины (далее - вариант с ПЧГ).
Утилизационная турбоустановка, приведенная на фиг. 1 и 2, содержит турбогенератор 1, силовую газовую турбину 2, кинематически связанную с турбогенератором 1 (в примере, приведенном на фиг. 1 - через редуктор 3, на фиг. 2 - установленную на одном с ним валу 6), сообщенную на входе по газу с выходом источника горячего газа по газу, газоохладитель 4, сообщенный на входе по газу с выходом силовой газовой турбины 2 по газу, дожимающий компрессор 5, сообщенный на входе по газу с выходом газоохладителя 4 по газу, на выходе по газу - с атмосферой. Согласно изобретению дожимающий компрессор 5 установлен на одном валу 6 с силовой газовой турбиной 2, а утилизационная турбоустановка содержит байпасный газоход 7, сообщенный на входе по газам с выходом источника горячего газа по газу, дополнительный газоохладитель 8, установленный на выходе байпасного газохода 7 по газам, и дымосос 9, сообщенный на входе по газу через тракт дополнительного газоохладителя 8 по газу с выходом байпасного газохода 7 по газу, на выходе по газу - с атмосферой, при этом дымосос 9 либо снабжен приводным электродвигателем 10 с ПЧС 11, электрически связанным с турбогенератором 1 (фиг. 1), либо ротор дымососа 9 кинематически связан с валом силовой газовой турбины 2 (в примере на фиг. 2 - через общий вал 6, на котором установлены силовая турбина 2 и турбогенератор 1, и через приводной электродвигатель 10 дымососа 9, электрически связанный с выходом турбогенератора 1 по напряжению переменной частоты), а турбогенератор 1 снабжен ПЧГ 12, выполненным с возможностью питания напряжением изменяющейся частоты и амплитуды потребителей переменного тока с напряжением неизменной частоты и амплитуды (фиг. 2). На фиг. 1 и 2 изображено также распределительное устройство (РУ) 13, на фиг. 1 - трансформаторы связи 14.
Утилизационная турбоустановка работает следующим образом.
Пуск утилизационной турбоустановки в обоих вариантах (фиг. 1 и 2) производят подачей питания в тиристорно-пусковое устройство турбогенератора 1 с переводом его в режим электродвигателя, осуществляющего раскрутку вала 6 с роторами силовой турбины 2 и дожимающего компрессора 5, используя для этого какой-либо известный из технического уровня стартовый источник электропитания (аккумулятор, дизель-электрогенератор или др.). Горячий газ поступает в силовую турбину 2 и расширяется до давления разрежения, созданного дожимным компрессором 5, далее поступает в газоохладитель 4, затем - в дожимной компрессор 5, где газ, охлажденный в газоохладителе 4 до минимально возможной температуры, дожимают до атмосферного давления и отводят в атмосферу. По мере раскрутки вала 6 до оборотов перехода утилизационной турбоустановки в режим авторотации тиристорно-пусковое устройство турбогенератора 1 отключают. Далее, по достижении требуемых параметров напряжения турбогенератор 1 ставят под нагрузку.
1
2
В варианте с ПСЧ 11 (фиг. 1) вырабатываемый турбогенератором 1 переменный ток постоянной (регулируемой) частоты f, равной 50 (60) Гц, подают через ПЧС 11 в приводной электродвигатель 10 дымососа 9 и через трансформатор связи 14 и РУ 13 сетевым потребителям электроэнергии. Поддержание оборотов вала турбогенератора 1 на требуемом уровне (50 (60) Гц) осуществляют регулируемой подачей питания от турбогенератора 1 в приводной электродвигатель 10 дымососа 9, раскручивая его до частоты f и поддерживая тем самым нагрузку турбогенератора 1 на уровне мощности турбоустановки, развиваемой при текущей температуре газа на выхлопе ГТД, при которой обороты ротора турбогенератора 1 равны 50 (60) Гц.
2
В варианте с ПЧГ 12 (фиг. 2) вырабатываемый турбогенератором переменный ток изменяющейся частоты, равной частоте вращения вала 6, подают в приводной электродвигатель 10, обеспечивая тем самым вращение вала дымососа 9 с частотой вращения вала 6, и - через ПЧГ 12 и РУ 13 - потребителям сетевого переменного тока с частотой 50 (60) Гц. Регулирование оборотов турбогенератора 1 в этом варианте не требуется. Его обороты, равные оборотам дымососа, устанавливаются на уровне f, при котором мощность турбоустановки оказывается равной сумме мощностей дымососа и потребителей, питаемых через РУ 13, автоматически (сами собой), без применения специальных средств автоматического регулирования. Требуемый уровень частоты и напряжения переменного тока, отпускаемого в электросеть через РУ 13, обеспечивает ПЧГ 12.
Приведенные на фиг. 1 и 2 примеры реализации заявляемого устройства представлены для иллюстрации предполагаемого изобретения с применением каждого из двух альтернативных признаков формулы и не исчерпывают всех возможных вариантов его реализации.
Прежде всего это касается состава и характеристик электрооборудования, не указанного в формуле: видов и числа используемых трансформаторов и других средств регулирования напряжения в электросети объекта электроснабжения, числа распределительных устройств, числа уровней амплитуды напряжения для разных потребителей переменного тока с неизменной частотой и амплитудой, которые определяются составом и характеристиками потребителей и могут быть различными. Кинематическая связь дымососа 9 с силовой турбиной 2 в варианте с ПЧГ (фиг. 2), может быть выполнена в виде общего вала с установленными на нем роторами дымососа 9, турбогенератора 1 и силовой турбины 2 (без использования приводного электродвигателя 10, электрически связанного с выходом турбогенератора 1 по напряжению переменной частоты).
Возможны также различные варианты реализации тепловой части заявляемой утилизационной турбоустановки. Так, газоохладители 4 и 8 могут быть выполнены двухступенчатыми с возможностью утилизации тепла высокотемпературных ступеней для нужд теплоснабжения. Дожимающий компрессор 5 на выходе по газам может быть сообщен с атмосферой не непосредственно (не через отдельный газоход и дымовую трубу), а через газовый тракт байпасного газохода 7, дополнительного газоохладителя 8 и дымососа 9, либо может быть выполнен не однокаскадным, как показано на чертежах фиг 1 и 2, а двухкаскадным, снабженным еще одним (промежуточным) газоохладителем, установленным в газовом тракте утилизационной турбоустановки между каскадами дожимающего компрессора, и т.п.
Выбор оптимального варианта реализации изобретения зависит от многих факторов: от характеристик располагаемого оборудования электрической и тепловой части, от условий размещения оборудования на объекте, от условий эксплуатации, от соотношения среднегодовых величин сетевого электропотребления и расхода энергии на привод дымососа и т.д. В любом из перечисленных вариантов применение заявляемого изобретения обеспечит достижение заявленного технического результата, позволит повысить эффективность работы утилизационной турбоустановки, обеспечит ее управляемость на переменных режимах и снижение металлоемкости и габаритов ее оборудования по сравнению с прототипом.