КОМПЛЕКСНАЯ ВОЗДУШНОТУРБИННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергетическим установкам и может быть использована при создании наземных установок для получения электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, в том числе при утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) и биомассы.
Проблема утилизации ТБО и биомассы становится чрезвычайно актуальной. Практика вывоза ТБО и биомассы на специальные полигоны связана с большими транспортными затратами и с сокращением полезного землепользования. Простое сжигание частично решает эту проблему, но оно сопровождается выбросом в тепла выхлопных газов представленной в патенте США «Brayton атмосферу с выхлопным газом как вредных веществ, так и тепловой энергии.
Известен пример газотурбинной установки с регенерацией Cycle Industrial Air Compression» №5586429 от 24.12.1996 г., где тепло выхлопного газа в теплообменнике нагревает воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, а турбина работает на газе, поступающем из камеры сгорания. Газ за теплообменником выбрасывается в атмосферу.
Горячий газовый контур теплообменника находится под давлением, отсюда пониженная надежность работы теплообменника. Камера сгорания работает при повышенном давлении, что вызывает повышенное образование вредных выбросов, а унос тепла с газом, выходящим из теплообменника снижает к.п.д. установки.
Известна газотурбинная установка (ГТУ), приведенная в статье «Применение газотурбинных систем с горением за турбиной, использующих камеры для сжигания твердых топлив при атмосферном давлении» ("The Application of Indirectly Fired Open Cycle Gas Turbine Systems Utilizing Atmospheric Pressure Fluidized Bed Combustors to Industrial Cogeneration Situations. C.L.Marksberry, B.C.Lindahl. ASME Publication 78-GT-16. - The American Sosiety of Mehanical Egineers, 1979. - P.1-6.), где в газотурбинной установке турбина работает на воздухе, нагретом в теплообменнике горячим газом из внешней камеры сгорания. При этом теплый воздух после турбины направляется внешнему, для ГТУ, потребителю.
В результате горячий контур теплообменника находится под атмосферным давлением, турбина работает на чистом воздухе (защищена от образования осадков на поверхности лопаток или их эрозии при использовании «грязного» топлива), камера сгорания работает практически при атмосферном давлении с меньшим выбросом вредных веществ в атмосферу. Однако, отсутствие использования тепла выходящего из ГТУ воздуха для нагрева воздуха, поступающего в турбину, не позволяет ГТУ иметь более высокий к.п.д. (который в принципе может иметь ГТУ с внешней камерой сгорания), по сравнению с ГТУ с встроенной камерой сгорания.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является газотурбинная установка, приведенная в статье «Газотурбинный двигатель для установки по термической переработке твердых бытовых и промышленных отходов», авт. В.Л.Иванова и Т.А.Заживихиной. Изв. Вузов. Авиационная техника. 2006. №2, с.76-79. Газотурбинная установка содержит первый и второй каскады воздушного компрессора, воздушную турбину, камеру сгорания с источником топлива - реактором-газификатором твердых бытовых отходов, потребитель мощности - электрогенератор, теплообменник с воздушным и газовым трактами, воздухоохладитель. Первый и второй каскады воздушного компрессора механически соединены с воздушной турбиной и электрогенератором. Вход первого каскада воздушного компрессора соединен с атмосферой, а выход через воздухоохладитель - с входом второго каскада воздушного компрессора. Выход второго каскада воздушного компрессора через воздушный тракт теплообменника соединен с входом воздушной турбины. Выход воздушной турбины сопряжен через байпасный трубопровод с газовым трактом теплообменника между его входом и выходом и с входом камеры сгорания, который соединен также с источником топлива. Выход камеры сгорания соединен с входом газового тракта теплообменника, выход которого соединен с атмосферой.
Установка камеры сгорания за воздушной турбиной позволяет использовать тепло, выходящего из воздушной турбины воздуха, и тем самым уменьшить тепло, вырабатываемое в камере сгорания, уменьшить расход топлива и, соответственно, увеличить к.п.д. ГТУ.
Недостатками технического решения являются:
- неполное использование тепла выхлопного газа;
- использование ГТУ для работы только на одном типе топлива - продукт-газе.
В основу полезной модели положено решение следующих задач:
- увеличение эффективности установки за счет более полного использования тепла воздуха и выхлопного газа,
- расширение потребительских возможностей, за счет дополнительного использования тепла воздуха для снабжения им потребителей тепла.
Поставленные задачи решаются тем, что комплексная воздушнотурбинная энергетическая установка содержит воздушный компрессор с приводом, воздушную турбину с потребителем мощности, камеру сгорания, источник топлива,, теплообменник с воздушным и газовым трактами и воздушный трубопровод. Вход компрессора соединен с атмосферой, а выход - с входом воздушного тракта теплообменника. Выход воздушного тракта теплообменника соединен с входом воздушной турбины, выход которой соединен с входом воздушного трубопровода и входом камеры сгорания. Выход камеры сгорания соединен с атмосферой через газовый тракт теплообменника. Источник топлива соединен выходом с камерой сгорания. В соответствии с полезной моделью установка дополнительно содержит потребитель тепла, соединенный с выходом воздушного трубопровода. Потребитель тепла содержит помещение и агрегат понижения температуры воздуха, который соединен входом с выходом воздушного трубопровода, а выходом - совмещен с помещением.
Использование потребителя тепла позволяет полезно использовать экологически чистое тепло нагретого воздуха и расширить потребительские свойства установки, а также существенно увеличить ее экономичность.
Использование помещения с агрегатом понижения температуры воздуха позволяет использовать высокотемпературное тепло для нагрева помещений и при этом воздухом комфортной температуры.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Потребитель тепла дополнительно может содержать топливный теплообменник, что позволяет подогревать горючий газ перед подачей его в камеру сгорания и, соответственно, уменьшить потребный его расход, т.е. увеличить эффективность установки.
Агрегат понижения температуры воздуха может быть выполнен в виде теплообменника. Это позволяет, используя часть подводимого тепла, уменьшать температуру поступающего в помещение воздуха до комфортной величины.
Агрегат понижения температуры воздуха может быть выполнен в виде воздушного эжектора с высоконапорным и низконапорным входами, выход которого сопряжен с обогреваемым помещением. Это позволяет за счет подвода атмосферного воздуха уменьшать температуру поступающего в помещение воздуха до комфортной величины при использовании всего подводимого тепла.
Источником топлива может быть биомасса с агрегатом понижения температуры газа, при этом вход агрегата понижения температуры газа соединен с выходом газового тракта теплообменника, а выход - сопряжен с хранилищем биомассы. Это позволяет:
- полезно использовать отходы в виде биомассы для выработки электроэнергии и тепла,
- использовать агрегат понижения температуры газа для снижения величины температуры до оптимальной по технологии приготовления продукт-газа величины при использовании всего подводимого тепла.
Агрегат понижения температуры газа может быть выполнен в виде теплообменника. Это позволяет, используя часть подводимого тепла, уменьшать температуру поступающего в хранилище биомассы газа до оптимальной по технологии приготовления продукт-газа величины.
Агрегат понижения температуры газа может быть выполнен в виде газового эжектора с высоконапорным и низконапорным входами, выход которого сопряжен с хранилищем биомассы. Это позволяет за счет подвода атмосферного воздуха уменьшать температуру поступающего в хранилище газа до оптимальной по технологии приготовления продукт-газа величины при использовании всего подводимого тепла.
Источником топлива может быть источник газообразного топлива, например природный газ, попутный газ, что расширяет потребительские свойства установки.
Источником топлива может быть источник жидкого топлива, например жидкое углеводородное топливо что расширяет потребительские свойства установки.
Привод воздушного компрессора может быть выполнен в виде воздушной турбины. Это позволяет уменьшить количество агрегатов установки.
Привод воздушного компрессора может быть выполнен в виде электромотора. Это позволяет оптимально выбрать частоту вращения компрессора и уменьшить его массу и стоимость установки.
Привод воздушного компрессора может быть выполнен в виде двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет оптимально выбрать частоту вращения компрессора и уменьшить его массу и стоимость установки, а также увеличить электрическую мощность отдаваемую потребителю.
Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи:
- увеличение эффективности за счет более полного использования тепла воздуха и выхлопного газа,
- расширение потребительских возможностей, за счет использования тепла воздуха для снабжения им потребителей тепла.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания установки со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-3, где на фиг.1 изображена схема установки, на фиг.2 - схема потребителя тепла, на фиг.3 - схема подачи тепла к хранилищу биомассы.
Комплексная воздушнотурбинная энергетическая установка содержит (см. фиг.1) воздушный компрессор 1, привод 2, воздушную турбину 3, потребитель мощности 4, камеру сгорания 5, источник топлива 6, теплообменник 7 с воздушным 8 и газовым 9 трактами и воздушный трубопровод 10. Вход компрессора 1 соединен с атмосферой, а выход - с входом воздушного тракта 8 теплообменника 7. Выход воздушного тракта 8 теплообменника 7 соединен с входом воздушной турбины 3, выход которой соединен с входом камеры сгорания 5 и с входом воздушного трубопровода 10. Выход камеры сгорания 5 связан с входом газового тракта 9 теплообменника 7. Воздушная турбина 3 и потребитель мощности 4 механически связаны между собой. Компрессор 1 и привод механически связаны между собой. Источник топлива 6 соединен выходом с камерой сгорания 5. В соответствии с полезной моделью установка дополнительно содержит потребитель тепла 11, соединенный с выходом турбины 3 через воздушный трубопровод 10. Потребитель тепла 11 содержит помещение 12 с агрегатом понижения температуры воздуха 13.
Дополнительно потребитель тепла 11 может содержать (фиг.2) топливный теплообменник 14 с воздушным 15 и топливным 16 трактами.
Агрегат понижения температуры воздуха 13 может быть выполнен (фиг.2) в виде воздушного эжектора с высоконапорным 17 и низконапорным 18 входами.
Источником топлива 4 может быть (фиг.3) хранилище биомассы 19 с агрегатом понижения температуры газа 20, при этом вход агрегата понижения температуры газа 20 соединен с выходом газового тракта 9 теплообменника 7, а выход - сопряжен с хранилищем биомассы 19.
Агрегат понижения температуры газа 20 может быть выполнен (фиг.3) в виде газового эжектора с высоконапорным 21 и низконапорным 22 входами, выход которого сопряжен с хранилищем биомассы 19.
Работа установки осуществляется следующим образом.
Воздух из атмосферы (см. фиг.1) всасывается компрессором 1 с приводом 2, где повышаются его давление и температура. Далее воздух поступает через воздушный тракт 8 теплообменника 7 в воздушную турбину 3, где он расширяется до давления близкого к атмосферному, при этом понижается его температура и вырабатывается механическая энергия, передаваемая потребителю мощности 4. Из воздушной турбины 3 воздух распределяется на два потока.
Основной поток воздуха направляется в камеру сгорания 5, куда из источника топлива 6 поступает и горючее. В камере сгорания 5 смесь топлива и воздуха сгорает с выделением тепла и выхлопной газ подается на вход газового тракта 9 теплообменника 7, выходя из которого выбрасывается в атмосферу. В воздушном тракте 8 теплообменника 7 воздух нагревается теплом газового тракта 9 и нагретый воздух поступает в воздушную турбину 3.
Второй поток воздуха из воздушной турбины 3 поступает через воздушный трубопровод 10 к потребителю тепла 11, где он через агрегат понижения температуры воздуха 13, в котором его температура снижается до заданной величины, подается в обогреваемое помещение 12.
В потребителе тепла 11 воздух (см. фиг.2) из воздушного трубопровода 10 может предварительно поступать в воздушный тракт 15 топливного теплообменника 14, где его температура понижается, отдавая часть тепла топливу, в топливном тракте 16, которое поступает в него из источника топлива 6 и после топливного теплообменника 14 поступает в камеру сгорания 5. После топливного теплообменника 14 частично охлажденный воздух попадает в агрегат понижения температуры воздуха 13.
В агрегате понижения температуры воздуха 13 (фиг.2), выполненном в виде эжектора, воздух из байпасного трубопровода 10 (или из воздушного тракта 15 топливного теплообменника 10) поступает в высоконапорный вход 17 эжектора и подсасывает через низконапорный вход 18 атмосферный воздух, обе струи воздуха перемешиваются, при этом температура потока воздуха уменьшается до требуемого потребителем уровня.
В источнике топлива 6 (фиг.3), выполненном в виде хранилища биомассы 19 с агрегатом понижения температуры газа 20, выхлопной газ из газового тракта 9 теплообменника 7 поступает через агрегат понижения температуры газа 20 в хранилище 19, нагревая биомассу до технологически потребной величины температуры.
В агрегате понижения температуры газа 20 (фиг.3), выполненном в виде газового эжектора горячий воздух из газового тракта 9 теплообменника 7 поступает в высоконапорный вход 21, подсасывая через низконапорный вход 22 атмосферный воздух, обе струи воздуха перемешиваются, при этом температура потока воздуха доводится до технологически потребного уровня.
В качестве примера представляет интерес рассмотреть работу предлагаемой комплексной воздушнотурбинной энергетической установки на низкокалорийном продукт-газе, получаемом при термической утилизации биомассы.
Проблемой полезного использования ТБО является разнородный состав их (различные пластмассы, картон, бумага, древесина, пищевые отходы и др.), что создает известные трудности для утилизации отходов. Однако проблема упрощается если состав ТБО однороден, например, только древесные опилки, торф, шелуха семечек подсолнуха и т.п. В этом случае внешний нагрев путем неполного сжигания может быть заменен естественным нагревом биомассы в хранилище или внешним поверхностным нагревом горячим воздухом (до температуры не выше 335К во избежание выделения вредных веществ) для ускорения процесса биоутилизации.
Вырабатываемый продукт-газ имеет параметры:
U
- низшую теплотворную способность H=12000 кДж/кг,
P
В1
Г
ВТ2
- теплоемкость газа С=1.130 кДж/кг·К, Тогда установка при степени понижения полного давления турбины , температуре воздуха перед неохлаждаемой воздушной турбиной Т=1000К и, соответствующей ей температуре газа за камерой сгорания Т=1100К (максимальная температура газа, при которой могут работать некоторые современные теплообменники) должна иметь температуру воздуха за воздушной турбиной Т=722 К.
Г2
ЭГ
Г2
Расчетный анализ показывает, что при отсутствии подачи воздуха в воздушный трубопровод, температура выхлопного газа за теплообменником равна Т=617К и единичная мощность электрогенератора - N=117.6 кВт. Если при том же расходе воздуха через воздушную турбину 20.4% расхода воздуха за ней отводить в воздушный трубопровод минуя камеру сгорания, то температура выхлопного газа за основным теплообменником уменьшится до Т=493К, при этом мощностной к.п.д. установки увеличится на 30% (с 0.21 до 0.28); появится горячий чистый воздух (который после топливного теплообменника имеет температуру Т=654К и единичную тепловую мощность 76.1 кВт/с.кг), температура которого с помощью эжектора, подсасывающего атмосферный воздух, может быть понижена до потребной для обогрева помещения величины. Таким образом, отбирая часть воздуха за воздушной турбиной можно увеличить эффективность установки за счет уменьшения расхода топлива и получения тепла для полезного использования.
Установка эффективно может использоваться и с другими видами топлива, например, с природным газом.
Параметры природного газа при атмосферном давлении:
U
- низшая теплотворная способность H=47.4 МДж/кг,
- теплоемкость выхлопного газа в газовом тракте теплообменника
P
С=1.16 кДж/кгК.
Расчеты показывают, что при тех же параметрах компрессора и турбины, как и при работе на продукт-газе величина мощностного к.п.д. получается на 7% меньше, полезное тепло увеличивается на 30%, а единичная мощность электрогенератора остается неизменной.
Таким образом, комплексной воздушнотурбинной энергетической установкой решены поставленные в полезной модели задачи увеличения эффективности установки и увеличения ее потребительских возможностей. Следует также подчеркнуть, что камера сгорания установки работает при давлении, близком к атмосферному, что способствует снижению содержания вредных веществ в продуктах сгорания (в частности, оксидов азота) по сравнению с камерами сгорания, работающими при повышенном давлении среды. Кроме того, возможность работы установки на продукт-газе, получаемом от термической обработки биомассы, способствует снижению потребления не возобновляемых традиционных углеводородных топлив.