ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ РЕАКТОРОМ И С ВПРЫСКОМ ПАРА

в
Полезная модель относится к газотурбинным установкам (ГУ)? частности к установкам, которые характеризуются использованием продуктов сгорания в качестве рабочего тела.
Газотурбинная установка может быть применена в конструкциях транспортной и стационарной энергетики.
Известна газотурбинная установка с регенерацией теплоты, имеющая поверхностный теплообменник (регенератор), в котором осуществляется утилизация теплоты уходящих газов путем подогрева воздуха перед подачей его в камеру сгорания. («Тепловые и атомные электрические станции» Справочник под редакцией В.А.Григорьева и В.М.Зорина, М., Энергоиздат, 1982 г.). В данной газотурбинной установке определенная часть тепла, ранее уносившаяся отработавшими газами в атмосферу, возвращается в цикл турбины, что повышает ее КПД.
Однако, количество утилизируемого тепла из-за низкой теплоемкости воздуха и одного механизма теплоотдачи (конвекции) низка.
Известна газотурбинная установка (Полезная модель, свидетельство РФ №28513, МПК 7 F 02 С 1/00, RU БИМП №9 27.03.2003) для производства электроэнергии. Она состоит из редуктора, компрессора для подачи воздуха в камеру сгорания, которая соединена с турбиной. Имеется паровой котел, связанный с турбиной и водяным насосом. Охлажденный газ и пар поступают в парогазовый эжектор. Как и в описанных ранее аналогах в известной полезной модели совокупность существенных признаков обеспечивает преобразование получаемой тепловой энергии в работу. Экологичность такой установки низка.
Известна газотурбинная установка с впрыском пара в камеру сгорания, известная из работы Williams Robert H., Larson Erik D. // Electricity - Lund Press, Sweden. - c.503-553. (Expanding roles for gasturbines in power generation) Как и традиционные газотурбинные установки, она содержит турбину с подключенными к ней компрессором, электрогенератором и камерой сгорания. Парогенератор подключен к турбине и к водяному насосу. Камера сгорания связана с топливной магистралью.
Горячие выхлопные газы турбины используются для получения водяного пара в парогенераторе. Впрыск пара в камеру сгорания в зону горения способствует снижению эмиссии окислов азота. Удельная мощность турбины существенно увеличивается. Утилизация тепла происходит за счет трех механизмов теплообмена: конвекции и фазового превращения воды в пар, а также за счет химического превращения исходного топлива в термохимическом реакторе (ТХР). Однако утилизация тепла выхлопных газов обеспечивается недостаточно.
Известна газотурбинная установка с впрыском пара (полезная модель, патент РФ №37390. МПК 7 F 02 С 3/00, Бюл. №11, 20.04.04.). По максимальному количеству сходных существенных признаков и по достигаемому результату принимается за прототип.
Прототип содержит турбину, связанную с компрессором, с электрогенератором, с парогенератором и с камерой сгорания, которая подключена к топливной магистрали. Между парогенератором и камерой сгорания включен термохимический реактор (ТХР), который соединен с турбиной и с топливной магистралью. Парогенератор связан с водяным насосом, а к компрессору подается воздух.
В известной газотурбинной установке горячие выхлопные газы турбины используются для получения водяного пара в парогенераторе и для проведения эндотермической реакции паровой конверсии топлива в термохимическом реакторе.
В термохимический реактор подается часть углеводородного топлива от топливной магистрали и впрыскивается пар от парогенератора. В процессе прохождения эндотермической реакции может быть поглощено тепло, равное теплоте химической реакции.
Однако в установке имеются и другие источники тепла, например, камера сгорания, выделяющееся тепло которой рассеивается и представляет собой тепловые потери, вследствие чего падает КПД установки.
Задача, решение которой осуществляет заявляемая полезная модель, заключается в повышении энергетических и экологических характеристик горения в результате подачи водородсодержащего топлива в камеру сгорания и в увеличении термического КПД установки за счет поглощения дополнительного тепла, выделяемого нагревающимися элементами, а именно камерой сгорания.
Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков.
Как и прототип, заявляемая газотурбинная установка с ТХР и с впрыском пара содержит связанные между собой турбину, компрессор, электрогенератор, а также соединенные последовательно парогенератор, термохимический реактор (ТХР) и камеру сгорания (КС). Камера сгорания связана с компрессором и с турбиной, соединенной с ТХР и с
парогенератором. При этом к парогенератору и к камере сгорания подключена топливная магистраль. К компрессору подается воздух, к парогенератору - вода.
В отличие от прототипа камера сгорания установки снабжена специальной рубашкой охлаждения, выполненной в виде дополнительного термохимического реактора, который связан с топливной магистралью и с самой камерой сгорания.
Технический результат, обеспечиваемый совокупностью существенных признаков заявляемой полезной модели, заключается в следующем:
- повышается КПД газотурбинной установки в результате поглощения тепла выхлопных газов и тепла от камеры сгорания;
- улучшается экология, т.к. в камеру сгорания дополнительно подается водород, получаемый в результате эндотермической реакции парового реформинга в термохимических реакторах. Водород обеспечивает полноту сгорания исходного топлива и улучшает состав выхлопных газов.
Сущность заявляемой полезной модели «Газотурбинной установки с ТХР и с впрыском пара» поясняется чертежом, где на рисунке 1 изображена блок-схема заявляемой установки.
Заявляемая газотурбинная установка с ТХР и с впрыском пара содержит, как и прототип, связанные между собой турбину 1 и компрессор 2. Турбина 1 соединена с парогенератором 3, который через термохимический реактор 4 соединен с камерой сгорания (КС) 5, связанной с компрессором 2 и с турбиной 1. К камере сгорания 5 подключена топливная магистраль. К компрессору 2 подается воздух, к парогенератору - вода, а турбина связана с электрогенератором 6. Термохимический реактор 4 связан с турбиной 1 и подключен к топливной магистрали. Термохимический реактор 4 выполнен с возможностью проведения в нем традиционной эндотермической реакции. В компрессор 2 поступает воздух, а парогенератор 3 и термохимический
реактор 4 обогреваются выхлопными газами, которые выходят из них охлажденными. Выполнение элементов газотурбинной установки является традиционным («Тепловые и атомные электрические станции» Справочник под ред. В.АТригорьева и В.М.Зорина, М., Энергоиздат, 1982).
В отличие от прототипа, камера сгорания 5 заявляемой газотурбинной установки снабжена специальной рубашкой охлаждения, выполненной в виде дополнительного термохимического реактора 7. Этот дополнительный ТХР 7 связан с топливной магистралью, а также с парогенератором 3 и с самой камерой сгорания 5.
2
В заявляемой газотурбинной установке с ТХР и с впрыском пара углеводородное топливо от топливной магистрали подается в камеру сгорания 5. Часть углеводородного топлива подается в термохимический реактор 4 и в термохимический реактор 7. В ТХР4 и в ТХР7 впрыскивается пар от парогенератора 3. От турбины 1 в реактор 4 и в парогенератор 3 поступают горячие выхлопные газы, которые охлаждаются, отдавая им свое тепло, и выбрасываются в атмосферу. За счет тепла в термохимических реакторах 4 и 7 происходят эндотермические химические реакции парового реформинга - стехиометрическая реакция с получением синтез-газа (смесь Н и СО)
n
m
2
2
аСH+bHO→сН+dCO.
При этом в процессе превращения поглощается тепло, равное теплоте химической реакции.
2
В камеру сгорания 5 впрыскивается не только водяной пар, взятый в избытке от стехиометрической реакции, но и полученный в термохимических реакторах 4 и 7 синтез-газ (смесь Н и СО).
x
Впрыскивание водяного пара в камеру сгорания 5 при весьма высокой результирующей температуре рабочего тела позволяет на выходе из камеры сгорания 5 снизить температуру в стехиометрических зонах горения топлива и обеспечить содержание вредных примесей (NO, CO и полиароматических
углеводородов) на уровне, предписываемом требованиями современных санитарных норм.
Благодаря наличию термохимического реактора 4 и дополнительно введенного термохимического реактора 7 происходит значительная интенсификация процесса тепломассообмена. За счет проведения в термохимическом реакторе 4 и в термохимическом реакторе 7 химической эндотермической реакции исходное углеводородное топливо, получаемое ими от топливной магистрали, превращается в водородсодержащую топливную смесь. В результате камера сгорания 5 работает на новом топливе с улучшенными характеристиками горения и, в то же время, охлаждается за счет прохождения эндотермической реакции в ТХР7, размещенном в специальной рубашке охлаждения КС5. Эта реакция происходит благодаря расходованию на нее вредного тепла от нагрева при работе камеры сгорания 5. Утилизация тепла происходит за счет трех механизмов теплообмена - конвекции и фазового превращения воды в пар, а также за счет третьего механизма - химического превращения исходного топлива в термохимическом реакторе 4 и в дополнительно введенном ТХР7.
Таким образом, заявляемая полезная модель «Газотурбинная установка с ТХР и с впрыском пара», снабженная специальной рубашкой охлаждения КС5, выполненной в виде дополнительного термохимического реактора 7, характеризуется повышенным термическим КПД и улучшенными энергетическими и экологическими характеристиками горения топлива в камере сгорания 5. Это обеспечивается благодаря дополнительному поглощению тепла выхлопных газов и тепла, отдаваемого камерой сгорания 5, а также дополнительному обогащению водородом исходного углеводородного топлива в КС5.
Заявляемая газотурбинная установка обладает достоинствами как по эффективности преобразования тепла топлива в электроэнергию и экологическим показателям, так и по удельным показателям мощности и стоимости выработки электроэнергии.