Судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов
SHIP GAS TURBINE PLANT WITH EXHAUST GASES HEAT UTILIZATION

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к газотурбинным установкам, и может быть использовано в качестве судовой энергетической установки с применением природного газа как альтернативного дешевого и экологически чистого вида топлива.
Известно об экономической эффективности применения сжиженного природного газа (СПГ) для различных видов автотранспорта и энергоснабжения удаленных населенных пунктов (Кириллов Н.Г. СПГ - моторное топливо XXI века. // Нефть. Газ. Промышленность, №3, 2007. - Стр. 44-47).
Известно об экологической эффективности использования природного газа в энергетических установках. Замена традиционных видов моторного топлива (бензина и дизельного топлива) на природный газ позволяет снизить выбросы вредных компонентов отработанных газов в 3-8 раз (Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - Стр. 11-17).
Известно устройство энергетической установки на сжиженном природном газе, состоящее из двигателя и системы хранения сжиженного природного газа и подачи природного газа в двигатель, включающей в себя резервуар для хранения сжиженного природного газа, испаритель сжиженного природного газа с линией подачи греющей среды (патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003). Однако в данной энергетической установке не используется тепло уходящих газов для производства дополнительной механической энергии.
Известно устройство установки на основе органического цикла Ренкина, представляющее собой замкнутый контур с органическим рабочим телом, содержащим турбину на валу с электрогенератором, испаритель, конденсатор, теплообменник-рекуператор, насос и систему охлаждения установки на основе органического цикла Ренкина (Соболь В.А. Мини-ТЭЦ в Речице, передовые технологии в области использования местных видов топлива. // Журнал «Энергетическая Стратегия», №2(20), 2011. Стр. 57-59).
Однако данная энергоустановка предназначена для работы на твердой биомассе и не может быть использована для утилизации теплоты отработанных газов судовой газотурбинной установки.
Известна энергетическая система по утилизации теплоты отработанных газов газовых турбин, включающая в себя газовую турбину, промежуточный контур использования теплоты отработанных газов газовой турбины в виде контура с паровой турбиной и теплоутилизационную парогенераторную установку (заявка на изобретение РФ №2010153492, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19).
Однако данная энергетическая система сложна в конструктивном изготовлении, не обеспечивает использование всего потенциала теплоты уходящих газов для выработки полезной электрической энергии и не предусмотрена для использования сжиженного природного газа.
Известно устройство энергетической установки с парогазовой установкой, содержащее газотурбинный двигатель с компрессором, камерой сгорания и силовой газовой турбиной, а также котел-утилизатор с пароперегревателем и газоводяным подогревателем питательной воды и конденсационную паровую турбину (заявка на изобретение РФ №2012152236, опубл. 04.12.2012, Бюл. №16). Однако для применения парового контура с водой в качестве рабочего тела необходимы более высокие температуры уходящих газов и наличие парогенератора высокого давления.
Известно устройство судовой газотурбинной установки с утилизацией тепла уходящих газов, содержащей газотурбинный двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и силовой турбины, и паровой контур с паровой турбиной и теплообменником-испарителем с проходящей через него магистралью уходящего газа газотурбинного двигателя, при этом валы силовой турбины и паровой турбины подключены через редуктор к гребному валу (авторское свидетельство №1282625, опубл. 27.07.1999). Недостатками данного технического решения являются: во-первых, то, что силовая и паровая турбины размещены на разных валах, вследствие этого необходимо дополнительное сложное оборудование для передачи мощности паровой турбины на гребной вал; во-вторых, то, что на сжатие воздуха в воздушном компрессоре тратится большое количество энергии, вырабатываемой силовой турбиной, что уменьшает эффективность газотурбинной установки; в-третьих, уходящие газы содержат большое количество вредных веществ.
Технический результат, который может быть получен при применении данного изобретения, заключается в повышении энергетической эффективности и снижении количества вредных компонентов в уходящих газах судовой газотурбинной установки, а также упрощение и снижение массы и габаритов судовой газотурбинной установки.
Для достижения данного технического результата судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов, содержащая газотурбинный двигатель, состоящий из воздушного компрессора, камеры сгорания и силовой турбины, и паровой контур с паровой турбиной и теплообменником-испарителем с проходящей через него магистралью уходящего газа газотурбинного двигателя, при этом валы силовой турбины и паровой турбины подключены через редуктор к гребному валу, снабжена криогенной емкостью с сжиженным природным газом, криогенным насосом, испарителем сжиженного природного газа, через который проходит магистраль атмосферного воздуха, идущая в воздушный компрессор, теплообменником-подогревателем природного газа, через который проходит магистраль уходящих газов газотурбинного двигателя, при этом воздушный компрессор, силовая и паровая турбина расположены на одном валу, паровой контур выполнен в виде установки органического цикла Ренкина, содержащего теплообменник-испаритель, паровую турбину, рекуператор, теплообменник-конденсатор и циркуляционный насос, магистраль уходящих газов из силовой турбины газотурбинного двигателя последовательно проходит через теплообменник-испаритель парового контура и теплообменник-подогреватель природного газа, а через теплообменник-конденсатор парового контура проходит магистраль охлаждающей среды, например забортной воды.
Введение в состав судовой газотурбинной установки с утилизацией тепла уходящих газов криогенной емкостью с сжиженным природным газом, испарителя сжиженного природного газа, через который проходит магистраль атмосферного воздуха, идущая в воздушный компрессор, теплообменника-подогревателя природного газа, через который проходит магистраль уходящих газов газотурбинного двигателя, воздушного компрессора, силовой и паровой турбин, расположенных на одном валу, применение парового контура, выполненного в виде установки органического цикла Ренкина, позволяет получить новое свойство, заключающееся в возможности повышения энергетической эффективности судовой газотурбинной установки, во-первых, за счет снижения расхода мощности на привод воздушного компрессора вследствие охлаждения воздуха, поступающего в воздушный компрессор, до более низких температур ввиду теплообмена при газификации сжиженного природного газа, во-вторых, за счет получения дополнительной мощности от паровой турбины, пар для которой получают в результате использования тепла уходящих газов газотурбинного двигателя, снижение количества вредных компонентов в уходящих газах судовой газотурбинной установки за счет использования в качестве моторного топлива природного газа, также упрощение и снижение массогабаритных характеристик судовой газотурбинной установки с утилизацией тепла уходящих газов за счет отсутствия дополнительного оборудования для передачи мощности паровой турбины на гребной вал путем размещения силовой турбины газотурбинного двигателя и паровой турбины на одном валу.
На фиг. 1 изображена судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов.
Судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов содержит газотурбинный двигатель 1 и паровой контур 2, выполненный в виде установки органического цикла Ренкина, где в качестве рабочего тела используется органическое вещество, например пентан, силиконовое масло, фреоны и т.д.
В состав газотурбинного двигателя 1 входят воздушный компрессор 3, камера сгорания 4 и силовая турбина 5.
Паровой контур 2 содержит теплообменник-испаритель 6, паровую турбину 7, рекуператор 8, теплообменник-конденсатор 9 и циркуляционный насос 10.
Воздушный компрессор 3, силовая турбина 5 и паровая турбина 7 расположены на одном валу 11, который через редуктор 12 связан с гребным валом 13 и винтом 20.
Судовая газотурбинная установка снабжена криогенной емкостью 14 с сжиженным природным газом, криогенным насосом 15, испарителем сжиженного природного газа 16, через который проходит магистраль атмосферного воздуха 17, идущая в воздушный компрессор 3, теплообменником-подогревателем природного газа 18, через который проходит магистраль уходящих газов 19 из силовой турбины 5 газотурбинного двигателя 1, при этом магистраль уходящих газов 19 из силовой турбины 5 газотурбинного двигателя 1 последовательно проходит сначала через теплообменник-испаритель 6 парового контура 2, а затем через теплообменник-подогреватель природного газа 18.
Через теплообменник-конденсатор 9 парового контура 2 проходит магистраль охлаждающей среды 21, например забортной воды.
Судовая газотурбинная установка также снабжена магистралью моторного топлива 22, в качестве которого используется природный газ, проходящей через испаритель сжиженного природного газа 16 и теплообменник-подогреватель природного газа 18 в камеру сгорания 4.
Судовая газотурбинная установка с утилизацией тепла уходящих газов работает следующим образом.
Из криогенной емкости 14 сжиженный природный газ криогенным насосом 15 подается в магистраль моторного топлива 22, по которой сжиженный природный газ поступает в испаритель сжиженного природного газа 16. В испарителе 16 сжиженный природный газ испаряется за счет теплообмена с воздухом, поступающим в испаритель 16 по магистрали атмосферного воздуха 17. Далее газообразный природный газ из испарителя 16 поступает в теплообменник-подогреватель природного газа 18, где нагревается за счет теплообмена с уходящими газами и подается в камеру сгорания 4 для его сжигания.
Воздух по магистрали атмосферного воздуха 17 поступает в испаритель 16, где его температура понижается до более низких температур ввиду теплообмена при газификации сжиженного природного газа, а затем поступает в воздушный компрессор 3. В результате охлаждения воздуха до низких температур происходит снижение расхода мощности на привод воздушного компрессора 3. Из воздушного компрессора 3 сжатый и нагретый воздух поступает в камеру сгорания 4 для обеспечения горения природного газа. Использование в качестве моторного топлива природного газа позволяет снизить количество вредных компонентов в уходящих газах судовой газотурбинной установки.
Из камеры сгорания 4 уходящие газы по магистрали 19 поступают в силовую турбину 5 газотурбинного двигателя 1, где производят полезную работу и вращают вал 11. Вал 11 вращает через редуктор 12 гребной вал 13 с винтом 20. Из силовой турбины 5 уходящие газы по магистрали 19 последовательно проходят сначала через теплообменник-испаритель 6 парового контура 2, а затем через теплообменник подогреватель природного газа 18 и удаляются в окружающую среду.
В теплообменнике-испарителе 6 органическое рабочее тело (например, силиконовое масло) парового контура 2 испаряется за счет теплообмена с уходящими газами, поступающими по магистрали 19, и далее пары органического рабочего тела поступают в паровую турбину 7, в которой производится полезная механическая энергия, передаваемая валу 11.
Размещение силовой турбины 5 газотурбинного двигателя 1 и паровой турбины 7 парового контура 2 на одном валу 11 приводит к упрощению и снижению массогабаритных характеристик судовой газотурбинной установки с утилизацией тепла уходящих газов за счет отсутствия дополнительного оборудования для передачи мощности паровой турбины 7 на гребной вал 13.
Из паровой турбины 7 пары органического рабочего тела поступают в рекуператор 8, где происходит теплообмен с жидким органическим рабочим телом, идущим в теплообменник-испаритель 6, затем поступают в теплообменник-конденсатор 9, где они охлаждаются и конденсируются, а затем с помощью циркуляционного насоса 10 подаются в теплообменник-испаритель 6 через рекуператор 8.
Для охлаждения и конденсации паров органического рабочего тела в теплообменник-конденсатор 9 по магистрали 21 подается охлаждающая среда, например забортная вода.
Источники информации
1. Кириллов Н.Г. СПГ - моторное топливо XXI века. // Нефть. Газ. Промышленность, №3, 2007. - Стр. 44-47.
2. Кириллов Н.Г. Природный газ как моторное топливо и экология автомобильного транспорта России. М.: ИРЦ «Газпром», 2003. - Стр. 11-17.
3. Патент РФ №2208747, опубл. 20.07.2003.
4. Соболь В.А. Мини-ТЭЦ в Речице, передовые технологии в области использования местных видов топлива. // Журнал «Энергетическая Стратегия», №2(20), 2011. Стр. 57-59.
5. Заявка на изобретение РФ №2010153492, опубл. 10.07.2012, Бюл. №19.
6. Заявка на изобретение РФ №2012152236, опубл. 04.12.2012, Бюл. №16.
7. Авторское свидетельство №1282625, опубл. 27.07.1999, - прототип.