ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЙ АГРЕГАТ
GAS PUMPING UNIT

Изобретение относится к газоперекачивающим агрегатам - ГПА с высокотемпературными газотурбинными двигателями в качестве приводов.
Известен газоперекачивающий агрегат, использующий один из наиболее эффективных методов повышения эффективности процесса сгорания и улучшения экологических характеристик, им является способ добавки в углеводородное топливо смеси водорода и монооксида углерода, которые могут получаться за счет реформирования природного газа в каталитическом реакторе генератора синтез-газа (Цыбизов Ю.И., Елисеев Ю.С., Федорченко Д.Г. «Использование синтез-газа для обеспечения экологической безопасности ГТУ», Авиадвигатели XXI века, Москва, ЦИАМ. С. 461-462. 2015 г.).
Недостатки трудности с подогревом исходного сырья в каталитическом реакторе свыше 600°С.
Известен газоперекачивающий агрегат по патенту РФ на изобретение №2708957, МПК F02C 3/00, опубл. 12.12.2019 г.
Этот ГПА содержит газотурбинный двигатель, топливную систему и систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединены последователь теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор.
Известен газоперекачивающий агрегат по заявке РФ на изобретение №2020116636, МПК F02C 3/00, приор. 12.05.2020 г., прототип.
Этот газоперекачивающий агрегат содержит газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и турбиной, свободную турбину и нагнетающий компрессор, топливную систему и систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и систему отбора воздуха из-за компрессора, эжектор-смеситель, к которому присоединены выходы второй систему отбора газа и система отбора воздуха, к выходу из эжектора-смесителя присоединены последователь теплообменник предварительного нагрева, установленный выхлопном устройстве и теплообменник окончательного нагрева, установленный на корпусе камеры и катализатор, при этом катализатор установлен внутри вспомогательного топливного коллектора, который выполнен внутри форсуночной плиты или на ней и дополнительными каналами сообщен с воздушными каналами форсуночной плиты.
Недостаток: низкий КПД агрегата из-за больших габаритов теплообменников и малая эффективность активных радикалов синтез-газа из-за значительного времени прохождения синтез-газа от теплообменника до форсунок синтез-газа. Время жизни радикалов и ионов составляет несколько наносекунд,
Задача создания изобретения повышение КПД агрегата.
Достигнутый технический результат: повышение КПД агрегата.
Решение указанной задачи достигнуто в газоперекачивающем агрегате, содержащем газотурбинный двигатель, входное устройство, компрессор, кольцевую камеру сгорания с жаровой трубой имеющей внешнюю жаровую стенку и топливо-воздушными форсунками на форсуночной плите, соединенными через топливный коллектор с основным топливопроводом, турбину, свободную турбину и выхлопное устройство, систему синтез-газа, которая содержит вторую систему отбора газа и эжекторную магистраль с эжектором-смесителем, к которому присоединены выходы второй системы отбора газа и эжекторная магистраль, к входу из эжектора-смесителя присоединен теплообменник предварительного нагрева, установленный в выхлопном устройстве, а к выходу эжектора-смесителя через второй коллектор присоединен теплообменник окончательного нагрева с катализатором, отличающийся тем, что эжекторная магистраль выполнена в виде эжекторной магистрали топлива, теплообменник окончательного нагрева установлен внутри жаровой трубы на ее внешней жаровой стенке и оборудован форсунками синтез-газа, а катализатор установлен в топливном канале этого теплообменника.
Теплообменник окончательного нагрева может иметь на внутренней стенке ребра.
Ребра могут быть выполнены в виде продольных пластин.
Ребра могут быть выполнены в виде цилиндров.
Ребра могут быть выполнены в виде конусов.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1…8, где:
на фиг. 1 приведена принципиальная схема газоперекачивающего агрегата,
на фиг. 2 приведена камера сгорания и система подачи топлива,
на фиг. 3 приведен теплообменник окончательного нагрева,
на фиг. 4 приведена газовоздушная форсунка,
на фиг. 5 приведен разрез А-А газовоздушной форсунки,
на фиг. 6 приведен теплообменник окончательного нагрева 1 вариант,
на фиг. 7 приведен теплообменник окончательного нагрева 2 вариант,
на фиг. 8 приведен теплообменник окончательного нагрева 3 вариант.
Перечень признаков, принятых в описании:
газотурбинный двигатель - 1,
входное устройство - 2,
выхлопное устройство - 3,
свободная турбина - 4,
корпус - 5,
сопловой аппарат - 6,
рабочее колесо - 7,
рабочие лопатки - 8.
вал - 9,
нагнетающий компрессор - 10,
входной корпус - 11,
выходной корпус - 12,
центробежное рабочее колесо - 13.
входная газовая труба - 14,
выходная газовая труба – 15,
воздушный тракт - 16,
воздухозаборник - 17,
компрессор – 18,
полость - 19,
кольцевая камера сгорания - 20,
турбина – 21,
газовый тракт - 22,
направляющий аппарат – 23,
рабочее колесо - 24,
сопловой аппарат - 25,
рабочее колесо - 26,
жаровая труба - 27,
форсуночная плита - 28,
газо-воздушные форсунки - 29,
топливный коллектор - 30,
вал - 31,
первая опора - 32,
вторая опора – 33,
основной топливопровод - 34,
теплообменник предварительного нагрева - 35,
регулятор расхода – 36,
вторая газовая магистраль - 37,
второй клапан - 38,
второй коллектор - 39,
эжекторная магистраль топлива - 40,
эжектор-смеситель - 41,
кран эжектора - 42,
теплообменник окончательного нагрева - 43,
внешняя жаровая труба - 44,
форсунка синтез-газа - 45,
топливный канал теплообменника - 46,
внешняя кольцевая стенка - 47,
внутренняя кольцевая стенка - 48,
ребра - 49,
катализатор - 50,
цилиндр - 51,
конус - 52,
хвостовик - 53,
корпус - 54,
выходное отверстие - 55,
направляющие лопатки - 56,
наклонные каналы - 57,
редуктор эжектора - 58,
эжекторное сопло - 59.
Предложенный газоперекачивающий агрегат - ГПА повышенной экономичности предназначен для перекачки природного газа. ГПА (фиг. 1) содержит газотурбинный двигатель 1, входное устройство 2, выхлопное устройство 3, свободную турбину 4, содержащую в свою очередь корпус 5, сопловой аппарат 6 и рабочее колесо 7 с рабочими лопатками 8. Рабочее колесо 7 валом 9 соединено с нагнетающим компрессором 10, содержащим входной корпус 11, выходной корпус 12 и центробежное рабочее колесо 13. К входному корпусу 11 присоединена входная труба 14, а к выходному корпусу 12 присоединена выходная газовая труба 15 (средства очистки и охлаждения природного газа на фиг. 1…18 не показаны).
Газотурбинный двигатель 1 содержит воздушный тракт 16, содержащий, в свою очередь воздухозаборник 17, компрессор 18 и полость 19 за компрессором 18 и перед кольцевой камерой сгорания 20. Воздушный тракт 16 включает также и входное устройство 2, не относящееся к конструкции газотурбинного двигателя 1.
За кольцевой камерой сгорания 20 установлена турбина 21 и выполнен газовый тракт 22, соединяющий выход из кольцевой камеры сгорания 20 с входом в свободную турбину 4.
Компрессор 18 содержит несколько ступеней, каждая из которых содержит направляющий аппарат 23 и рабочее колесо 24 (фиг. 1). Турбина 21 содержит, по меньшей мере, одну ступень. Каждая ступень компрессора 18 содержит сопловой аппарат 25 и рабочее колесо 26.
Кольцевая камера сгорания 20 содержит жаровую трубу 27, форсуночную плиту 28 с форсунками 29 и с топливным коллектором 30 перед форсуночной плитой 28, предназначенным для подачи топливного газа к форсункам 29 через специальные каналы в форсуночной плите 28.
Более подробно конструкция кольцевой камеры сгорания 20 приведена далее со ссылкой на фиг. 2.
Вал привода 31, соединяет рабочие колеса 24 компрессора 18 и рабочее колесо 26 турбины 21 и установлен на первой и второй опорах 32 и 33. Опор может быть более двух для многовальных двигателей.
Система подачи топливного газа содержит основной топливопровод 34, один конец которого соединен с выходной газовой трубой 15, а другой - с топливным коллектором 30 камеры сгорания 20. В основном топливопроводе 34 установлены теплообменник предварительного нагрева 35 и регулятор расхода 36. Таким образом, питание кольцевой камеры сгорания 20 ГПА топливом осуществляется газом, перекачиваемым самим турбонасосным агрегатом, т.е. из выходной газовой трубы 15.
Система подачи синтез-газа содержит (фиг. 3 и 4) вторую газовую магистраль 37, присоединенную к основному топливопроводу 34 после теплообменника предварительного нагрева 35, второй клапан 38 на входе во вторую газовую магистраль 37.
Выход из второй газовой магистрали 37 соединен с вторым коллектором 39, стоящий в тракте двигателя перед топливным коллектором 30.
В эту же систему входит эжекторная магистраль топлива 40, соединенная одной стороны с выходной газовой трубой 15, а с другой - с эжектором-смесителем 41. Эжекторная магистраль топлива 40 имеет кран эжектирования 42,
Теплообменник окончательного нагрева 43 установлен в кольцевой камере сгорания 20 для его максимальной эффективности. Вход эжекторной магистрали топлива 40 соединен с выходной газовой трубой 15, а выход - с одним из входов в эжектор смеситель 41 (фиг. 1 и 2).
Эжекторная магистраль топлива 40 предназначена для подачи относительно холодного, но имеющего большое давление топливного газа в эжектор-смеситель 41 для его эффективной работы как смесителя.
Теплообменник окончательного нагрева 43 (фиг. 2 и 3) расположен внутри кольцевой камеры сгорания 20, точнее внутри ее жаровой трубы 27 на ее внешней жаровой трубе 44 и содержит форсунки синтез-газа 45 и в виде отверстий, выходящих в жаровую трубу 27. Топливный канал теплообменника 46 образован между внешней кольцевой стенкой которой является часть внешней жаровой трубы 46 и внутренней жаровой трубой и соединена на входе с вторым коллектором 39 а на выходе с форсунками синтез-газа 45.
Теплообменник окончательного нагрева 43 (первый вариант) содержит ребра 49 (Фиг. 3 и фиг. 6) на внутренней кольцевой стенке 48 со стороны полости жаровой трубы 27.
Для снижения аэродинамических потерь теплообменник окончательного нагрева 43 может иметь пластинчатые продольные ребра (Фиг. 6), но возможно применение ребер 49 в виде цилиндров 51 (фиг. 7) или в виде конусов 52 (фиг. 8). В топливном канале теплообменника 46 может быть установлен катализатор 50.
В теплообменнике окончательного нагрева 43 топливный газ нагревается до 800°…900°С и превращается в синтез-газ, более активный в окислительном процессе, чем топливный газ.
При этом важно, чтобы чрезмерно развитое оребрение не вносило значительные аэродинамические потери по продуктам сгорания в камере сгорания 20, что ухудшит в целом КПД газоперекачивающего агрегата. Однако применение оребрения уменьшит габариты теплообменника окончательного нагрева 43 еще в 2- 3 раза и повысит эффективность этого теплообменника.
На фиг. 4 и 5 приведена газовоздушная форсунка 29.
Она содержит: хвостовик 53, являющийся частью корпуса 54, выходное отверстие 55, направляющие лопатки 56, наклонные каналы 57 для закрутки воздуха.
Эжекторная магистраль топлива 40 может быть оборудована (фиг. 1 и 2), редуктором эжектора 58 и эжекторным соплом 59.
РАБОТА АГРЕГАТА
При запуске газотурбинного двигателя 1 стартером (не показан) раскручивают вал привода 31, который раскручивает рабочее колесо 7 компрессора 18 (фиг. 1).
Топливный газ по топливопроводу 34 через регулятор расхода 35 и клапан 36 поступает в полость топливного коллектора 30 и далее поступает в газо-воздушные форсунки 29 (фиг. 1 и 2).
Одновременно часть топливного газа в объеме около 10%…30% от общего объема, идущего в кольцевую камеру сгорания 20 газоперекачивающего агрегата, по второй газовой магистрали 37 через по эжекторной магистрали топлива поступает в эжектор-смеситель 41 в котором он смешивается с топливом с относительно низкой температурой, но высоким давлением и подается в теплообменник предварительного нагрева 35 (фиг. 1 и 2) далее в теплообменник окончательного нагрева 43, где топливный газ преобразуется в синтез-газ и через форсунки синтез-газа 45 поступает в кольцевую камеру сгорания 20, точнее непосредственно в ее жаровую трубу 27.
В теплообменнике предварительного нагрева 35, топливный газ нагревается до 450°…500°С, а в теплообменнике окончательного нагрева 43 до 800…900°С и превращается в синтез-газ, более активный, чем топливный газ. В катализаторе 50 (фиг. 3) синтез-газ дополнительно активируется.
Расположение теплообменника в жаровой трубе 27 кольцевой камеры сгорания 20 позволит максимально снизать его вес и повысить эффективность в 2…3 раза за счет очень высокой температуры продуктов сгорания, которая в современных ГТД достигает 1500°С.
При этом теплообменник окончательного нагрева 43 имеет низкое аэродинамическое сопротивление и не ухудшают характеристики газотурбинного двигателя 1 и в целом газоперекачивающего агрегата.
В результате, несмотря на относительно малое количество синтез-газа он равномерно перемешивается с воздухом и топливным газом в зоне горениям и активирует процесс горения по всему объему жаровой трубы 27. Расположение форсунок синтез-газа 45 непосредственно в жаровой трубе 27 предотвращает рекомбинацию ионов и радикалов синтез-газа и повышает полноту сгорания. Этому же способствует тот факт, что применено большое число мелких форсунок синтез-газа 45, в виде отверстий во внутренней кольцевой стенке 48 в теплообменнике окончательного нагрева 43.
Одновременно при запуске газотурбинного двигателя 1 раскручивается вал 9 и свободная турбина 4 с нагнетающим компрессором 10, который повышает давление перекачиваемого газа.
Применение изобретения позволило:
- значительно повысить КПД агрегата за счет большей активности синтез-газа, и сохранения этой активности после подачи в зону горения за счет минимальной близости теплообменника форсунок синтез-газа к внутренней полости камеры сгорания, а именно полости ее жаровой трубы, и оптимального места установки катализатора,
- увеличить степень нагрева топливного газа в теплообменнике, что легче осуществить, так как, во-первых, максимальное значение температуры продуктов сгорания в двигателе имеет место в зоне горения жаровой трубы, во-вторых топливный газ предварительно подогрет в теплообменнике предварительного нагрева,
- уменьшить габариты теплообменника окончательного нагрева из-за большого температурного напора на стенках этого теплообменника, установленного в зоне самых высоких температур в газоперекачивающем агрегате,
- предотвратить прогар теплообменника окончательного нагрева за счет использования эжектирующей магистрали топлива с относительно холодным топливом.