СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF OPERATION OF GAS TURBINE INSTALLATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к газотурбинной технологии, используемой для получения электрической и тепловой энергии, а также в качестве привода компрессорных станций или транспортных средств.
Способ может быть применен в газотурбинных устройствах энергетического и транспортного назначения.
Известен способ работы газотурбинной установки с внутренним парогазовым циклом, при котором водяной пар, полученный в утилизационном теплообменнике, подается в камеру сгорания. На устройствах типа «Водолей», работающих по STIG-процессу с дополнительным выделением воды из выхлопных газов и возвращением конденсата воды для повторного использования в цикле, КПД увеличивается на 5,9-13%, а мощность на 43-130% для ГТД различной мощности (Николаевские газовые турбины. Основные характеристики «ЗОРЯ», «МАШИНПРОЕКТ», г. Николаев, 2004). Недостатками данного способа являются сложный процесс получения пара и значительные потери тепла в процессе конденсации воды из пара.
Известен способ работы газотурбинной установки, при котором 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 (WO 2012060739 А1). Данный способ обеспечивает конверсию метана с образованием водорода, что приводит к снижению расхода газа и вредных выбросов при работе, но реализовать данный способ очень сложно и для осуществления данного процесса требуется дорогой катализатор.
Из известных способов наиболее близок к заявленному по технической сущности, способ работы газотурбинной установки путем подачи в камеру сгорания воздуха, топлива и воды с образованием на внутренней поверхности камеры сгорания тонкого слоя воды за счет воздействия центробежной силы от вращения камеры сгорания (патент RU 2084674, F02K 3/31, F02C 3/30). Данный способ позволяет эффективно образовывать парогазовую смесь в камере сгорания, но для его реализации необходимо обеспечить вращение камеры сгорания.
Устройство для осуществления данного способа содержит сопло, направленное на внутреннюю поверхность камеры сгорания в сторону ее вращения (патент RU 2084674, F02K 3/31, F02C 3/30). Недостатком данного устройства является возможность его реализации только при вращении камеры сгорания.
Технической задачей заявленного изобретения является создание на внутренней поверхности камеры сгорания пристеночного тонкостенного слоя водосодержащей жидкости для снижения температуры парогазовой смеси и увеличения ее количества.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение КПД, увеличение срока службы газотурбинной установки и снижение вредных выбросов в процессе ее работы.
Поставленная задача решается тем, что водосодержащую жидкость направляют тангенциально внутренней поверхности камеры сгорания в полость, образованную внутренней поверхностью камеры сгорания, наружной поверхностью направляющей стенки и торцевой перегородкой, соединяющей эти поверхности, и воздействуют на эту жидкость направляющей стенкой, и за счет этого воздействия и действия центробежной силы образуют пристеночный слой жидкости, который движется одновременно коаксиально и тангенциально, вращаясь с направлением в сторону основания горелочного устройства, а в качестве водосодержащей жидкости могут быть использованы: вода, вода с водно-растворимыми присадками, водно-спиртовой раствор и водно-топливные композиции.
В газотурбинной установке, содержащей камеру сгорания с системами подачи воздуха и топлива для процесса горения, горелочное устройство и систему подачи водосодержащей жидкости на внутреннюю поверхность камеры сгорания, выход трубопровода для подачи водосодержащей жидкости направлен тангенциально внутренней поверхности камеры сгорания, в полость, образованную внутренней поверхностью камеры сгорания, наружной поверхностью направляющей стенки и торцевой перегородкой, соединяющей эти поверхности, с образованием пристеночного слоя жидкости, который движется одновременно коаксиально и тангенциально, вращаясь с направлением в сторону основания горелочного устройства.
Техническая сущность данного изобретения поясняется чертежом, где показана схема принципиальной конструкции газотурбинной установки для осуществления предлагаемого способа работы газотурбинной установки.
Газотурбинная установка содержит камеру сгорания (1), в которой расположено горелочное устройство (2), в которое поступает топливо (3) и воздух (4) от компрессора (5); водосодержащую жидкость (6), которая подается от насоса (на чертеже не показан) через трубопровод (7) подвода водосодержащей жидкости тангенциально внутренней поверхности камеры сгорания (1) в полость (8), образованную внутренней поверхностью камеры сгорания (1), наружной поверхностью направляющей стенки (9) и торцевой перегородкой (10), соединяющей эти поверхности; камеру парогазовой смеси (11), в которой расположена газовая турбина (12), соединенная через компрессор (5), редуктор (13) с электрогенератором (14); парогазовую смесь к котлу-утилизатору (15), воздух из атмосферы (16), воздух с парами воды и компонентами отходящих газов (17) из котла-утилизатора.
Газотурбинная установка работает следующим образом: воздух из атмосферы (16) засасывается в компрессор (5), где сжимается и подается в горелочное устройство (2), куда подается топливо (3) и происходит процесс сгорания в камере сгорания (1), куда поступает водосодержащая жидкость (6), через трубопровод (7) тангенциально внутренней поверхности камеры сгорания в полость (8), образованную внутренней поверхностью камеры сгорания (1), наружной поверхностью направляющей стенки (9) и торцевой перегородкой (10), соединяющей эти поверхности.
При этом за счет воздействия направляющей стенки и действия центробежной силы, на внутренней поверхности камеры сгорания образуют пристеночный слой жидкости, который движется одновременно коаксиально и тангенциально, вращаясь с направлением в сторону основания горелочного устройства (2).
В результате, за счет взаимодействия центробежной силы водосодержащей жидкости и высокотемпературного излучения пламени, будут образовываться две фазы водосодержащей жидкости: жидкая, примыкающая к внутренней поверхности камеры сгорания и паровая, которая будет втягиваться в пламя, обеспечивая снижение вредных выбросов и частичную конверсию топлива с образованием водорода и его горением, что будет способствовать повышению КПД установки.
При подаче в качестве водосодержащей жидкости воды с каталитическими присадками увеличивается процесс образования водорода.
При использовании водно-спиртовой смеси или водно-топливной композиции эффект образования водорода также будет усиливаться.
Газы из камеры сгорания (1) поступают в камеру парогазовой смеси (11), где воздействуют на газовую турбину (12), которая вращает компрессор (5) и, через редуктор (13), электрогенератор (14).
За счет нагрева и парообразования водосодержащей жидкости снижается температура парогазовой смеси, что дает возможность снизить мощность компрессора и, таким образом, повысить КПД и увеличить срок службы турбины.
После турбины парогазовая смесь (15) подается в котел-утилизатор (на чертеже не показан), который работает согласно авторскому патенту №2288363, а воздух с парами воды и компонентами отходящих газов (17) из этого котла-утилизатора подается в компрессор (5).
Таким образом, предлагаемые способ работы газотурбинной установки и ее конструкция позволяют повысить КПД, снизить вредные выбросы в процессе ее работы и увеличить срок службы газовой турбины.