СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ
METHOD OF OPERATING GAS TURBINE UNIT

Изобретение относится к газотурбинной технологии, используемой для получения работы и генерации электроэнергии или в качестве привода транспортных средств или компрессорных станций магистральных газопроводов. Способ может быть использован в газотурбинных установках энергетического и транспортного назначения.
Использование природного газа в качестве газотурбинного топлива привело к развитию технологий повышения эффективности газотурбинных установок за счет их комбинирования с паровыми турбинами и способов сжигания природного газа в смеси с водяным паром.
В частности, известен способ повышения КПД, маневренности и надежности парогазовой установки, включающей впрыск воды в проточную часть компрессора, утилизацию тепла отработавших газов газовой турбины в котле-утилизаторе, конденсации водяного пара из рабочего тела ГТУ в контактном конденсаторе, отличающийся тем, что топливо сжигается в камере сгорания с избытком воздуха 1,05-1,1, температура рабочего тела на входе в газовую турбину регулируется подачей пара из котла в камеру сгорания в зону законченного горения из котла утилизатора и регенеративного отбора паротурбинной установки энергоблока, совместно работающего с газовой турбиной в парогазовой установке, или парогенератора, включенного в тепловую схему парогазотурбинной установки при ее автономной работе /заявка на изобретение RU №2005102152, дата публ. 10.07.2006/. К недостаткам данного способа следует отнести сложность схемы и высокие капитальные затраты, связанные с совместной установкой паровой и газовой турбин.
Известен также способ работы газотурбинной установки с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу, включающий сжатие воздуха в компрессоре и его подачу в камеру сгорания, сжигание топлива в этой камере при низком коэффициенте избытка воздуха, расширение продуктов сгорания в газовой турбине, дожигание несгоревшего топлива за турбиной, впрыск воды в компрессор и в камеру сгорания, отличающийся тем, что сжигают газовое топливо в камере сгорания при снижении коэффициента избытка воздуха в зоне горения до 1,02÷1,05, а жидкое топливо при его уменьшении до 1,05÷1,10, при этом коэффициент избытка воздуха регулируют путем изменения количества подаваемого воздуха и измерения содержания кислорода в продуктах сгорания /заявка на изобретение RU №2000131473, дата публ. 20.01.2003/. Недостатком данного способа является низкий прирост эффективности в связи с работой на низких значениях коэффициента избытка воздуха и снижении расхода рабочего тела в проточной части газовой турбины.
Принципиально другим способом работа комбинированной газопаротурбинной установки с подачей пара непосредственно в камеру сгорания газовой турбины, объединяющая положительные свойства способов (низкие энергозатраты на сжатие и высокая энергоемкость рабочего тела) и высокую температуру рабочего тела на входе в турбину и компактность. В таком способе работы по известному циклу STIG (Steam Injection Gas turbine), весь пар, вырабатываемый в утилизационном теплообменнике, подается в камеру сгорания газотурбинной установки, а затем образовавшаяся парогазовая смесь расширяется в газовой турбине и, пройдя утилизационный теплообменник, выбрасывается в атмосферу.
Впрыск пара в проточную часть турбины позволяет увеличить мощность двигателя на 60…70% и КПД - примерно на 25% (отн.) без увеличения температуры газа перед турбиной. Недостатком цикла STIG является полная потеря цикловой воды.
Предложен способ работы газопаротурбинной установки с генерацией воды в цикле, существенным отличием которого является то, что для исключения потерь цикловой воды способ включает контактную конденсацию-газоохлаждение, проводимую на выхлопном патрубке котла-утилизатора. Отработавшую в турбине парогазовую смесь после прохождения котла-утилизатора подают в контактный конденсатор-газоохладитель, где охлаждают до точки росы, а пар высаживают в виде воды и насосом возвращают для дальнейшего использования в цикле. Отказ от применения паровой турбины в таких установках позволяет удешевить и упростить установку в целом, а высокие экономические показатели делают ее конкурентоспособной с дизельными энергетическими установками /Вiсник СевДТУ. Вип.87: Механiка, енергетика, екологiя: зб. наук. пр. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2008.58/. Недостатком способа является недостаточно высокий эксергетический КПД использования топлива в установке в связи с потерей температурного напора при утилизации тепла.
Задача настоящего изобретения - создать способ работы газотурбинной установки нового типа, в котором устранены указанные выше недостатки, и создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности газотурбинной установки, упрощения ее конструкции и условий эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что: в способе работы газотурбинной установки, включающем подачу в камеру сгорания сжатых воздуха и метансодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов их сгорания в газовой турбине, охлаждение продуктов сгорания путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, используемого для получения дополнительной работы газотурбинной установки, природный газ последовательно смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают в первом теплообменнике продуктами сгорания метансодержащей парогазовой смеси, пропускают через каталитический реактор с образованием метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают во втором теплообменнике, пропускают через второй каталитический реактор и подают в камеру сгорания.
Кроме того:
- нагрев природного газа с водяным паром, высокого давления, подаваемым в каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 350°С-530°С;
- нагрев метансодержащей парогазовой смеси, подаваемой во второй каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 620-680°С;
- давление водяного пара высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа;
- реакцию смеси природного газа с водяным паром высокого давления в каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода от 1 до 5%;
- реакцию метансодержащей парогазовой смеси во втором каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода свыше 20%;
- перед смешением природного газа с водяным паром проводят очистку природного газа от соединений серы;
- в качестве греющей среды первого и второго теплообменника используют продукты сгорания метансодержащей парогазовой смеси.
Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.
x
3
Наиболее высокую термодинамическую эффективность утилизации сбросного тепла газовой турбины можно получить при получении с помощью этого тепла химических продуктов, при сгорании которых образуется высокотемпературное рабочее тело, срабатываемое в газотурбинном цикле. К числу таких продуктов относится водород, который не только не образует при сгорании вредных продуктов, но и обеспечивает повышение эффективности турбины и позволяет работать на крайне бедной смеси с очень большим коэффициентом избытка воздуха (до λ=9.8 в случае водородо-воздушной смеси). Благодаря наличию в камере сгорания большого количества воздуха, не принимающего участия в сгорании топлива, достигается значительное снижение температуры выхлопных газов и невероятно низкий уровень выбросов NO - менее 5 мг/нм или 2 ppm, что практически приближается к пределу выявления. При этом увеличение массового расхода рабочего тела приводит к росту мощности турбины. Применение метановодородных смесей с высоким содержанием водорода (до 50%) в качестве топливного газа на газотурбинных установках, в том числе подлежащих реконструкции, позволит не только существенно улучшить эксплуатационные характеристики и снизить расход топливного таза, но и значительно снизить эмиссионные показатели. Обогащение природного газа водородом согласно изобретению производится путем каталитического процесса паровой конверсии метана, эндотермический характер которой требует подвода тепловой энергии. Отбор тепла от продуктов сгорания, выводимых из газовой турбины, производят как для получения водяного пара, часть которого используют в реакции конверсии метана, а оставшийся поток направляют вместе с метановодородной смесью в камеру сгорания, так и для нагрева парогазовой метановодородной смеси, подаваемой в каталитический реактор. Тем самым удается с максимально возможной эффективностью использовать энергию продуктов сгорания, отводимых из газовой турбины.
Примером реализации изобретения служит способ работы газотурбинной установки, описанный ниже.
На фигуре дано схемное решение предложенного способа преобразования энергии.
Способ осуществляется следующим образом.
В компрессоре 1 сжимают воздух, подаваемый в камеру сгорания 2, из которой продукты сгорания метансодержащей парогазовой смеси 3 подают в газовую турбину 4 с нагрузкой 5, а затем в теплообменный блок 6, котором тепло продуктов сгорания отбирают для нагрева метансодержащей парогазовой смеси в теплообменниках 7 и 8 и парогенераторе 9, после чего в контактном конденсаторе 10 из продуктов сгорания выводят воду, конденсируя водяной пар низкого давления, содержащийся в продуктах сгорания, сбрасываемых после этого в атмосферу 11. Конденсацию ведут охлажденной водой 12, которую подают из охладителя 13. Часть конденсата после насоса (на чертеже не показан) направляют в парогенератор 9, из которого пар высокого давления подают на смешение с природным газом 14 в соотношении пар/газ около 4, и полученную парогазовую смесь нагревают до температуры 450°С в теплообменнике 8, после чего направляют в каталитический реактор 15, в котором производят стабилизацию состава парогазовой смеси с получением метансодержащей парогазовой смеси с концентрацией водорода от 1 до 5%, после чего полученную метансодержащую парогазовую смесь нагревают до температуры 650°С во втором теплообменнике 7 и направляют во второй каталитический реактор 16, в котором концентрацию водорода повышают свыше 20% и полученную метансодержащую парогазовую смесь 3 направляют в камеру сгорания 2. Для коррекции состава газов в камеру сгорания 2 могут подавать дополнительный поток природного газа 17. В качестве нагрузки 5 могут выступать электрогенератор или компрессор природного газа на магистральном газопроводе или движитель транспортного средства.
Реакцию в первом и втором каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, для повышения работоспособности которого перед смешением природного газа с водяным паром проводят очистку природного газа от соединений серы.
Давление водяного пара высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа, максимально приближая его к давлению на входе в газовую турбину.
Таким образом указанный способ позволит за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в теплообменном блоке получить метансодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины и снижает выбросы вредных веществ, создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности газотурбинной установки, упрощения ее конструкции и условий эксплуатации - задача изобретения.