ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
COMBINED CYCLE PLANT

Изобретение относится к теплоэнергетике.
е
Назначением тепловых машин является преобразование энергии топлива в полезную работу. Отношение указанной работы к количеству тепла, выделяющемуся при полном сгорании топлива, называется эффективным к.п.д. тепловой машины η.
Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. тепловых машин (газотурбинных установок).
В газотурбинных установках (ГТУ) затраты энергии на собственные нужды составляют значительную долю полезной работы установки. Эта доля уменьшается при увеличении удельной энтальпии (теплосодержания) рабочего тела. Теплосодержание рабочего тела возрастает, если в состав продуктов сгорания ГТУ добавлять водяные пары.
Известна парогазовая установка (патент RU 2272916 C2, 2006), в которой преобразование воды в пар осуществляется в теплообменнике-испарителе, расположенном за турбиной. Это позволяет осуществлять регенерацию теплоты выхлопных газов - увеличивать эффективный к.п.д. установки. Недостатком установки являются большие расходы воды и связанные с этим потери энергии, расходуемые на ее нагрев и парообразование, что не позволяет повышать эффективный к.п.д. более 50%.
Известна парогазовая установка (патент на полезную модель №50603, 2006), содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-нагреватель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора, и теплообменник-конденсатор, охлаждаемый водой. Указанные теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри теплообменников циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Эффективный к.п.д. установки ~50%.
Сущность изобретения заключается в том, что для повышения эффективного к.п.д. в парогазовой установке используются внутренние термодинамические циклы, к.п.д. которых в составе тепловой машины стремится к единице (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Конверсия в машиностроении, 2006, №3. С.5-10).
Поставленная цель достигается тем, что в ГТУ, содержащей входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, в канале входного устройства перед компрессором расположен теплообменник-конденсатор, а в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора - теплообменник-нагреватель. Теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Во входной канал (перед теплообменником-конденсатором) подается вода. При этом давление жидкости на входе в насос высокого давления не менее 0,15 МПа, а температура рабочего тела на входе в компрессор более 100°C (условия, при которых в теплообменнике-конденсаторе происходит конденсация жидкости и испарение воды одновременно).
В качестве жидкости, циркулирующей в теплообменниках, предпочтительно использовать воду.
Предпочтительно, чтобы:
степень повышения давления в компрессоре была более 18;
температура газа перед турбиной была более 1700 K;
расход воды был более 15% от расхода воздуха;
давление жидкости на выходе из насоса высокого давления было более 15 МПа;
топливо подавалось в камеру сгорания через теплообменник, расположенный в канале, соединяющем паровую турбину с теплообменником-конденсатором;
в качестве топлива использовалась криогенная жидкость;
в качестве топлива использовался водород.
Применение водорода в качестве топлива позволяет получить новое качество ПГУ, а именно: коэффициент использования тепла (доля полезной теплоты) стремится к единице (продуктом сгорания водорода является водяной пар, который вместе с паром, образованным из воды, используется для обогрева помещений и др. целей).
Недостатком ПГУ является то, что энергия парообразования воды не используется для получения полезной работы.
Недостаток уменьшается, если за теплообменником-нагревателем установить теплообменник-испаритель, преобразующий энергию парообразования воды в энергию пара легкоиспаряющейся жидкости с последующим ее преобразованием в полезную работу.
Сущность изобретения заключается в том, что рабочим телом в теплообменнике-испарителе является этиловый спирт или другая жидкость, имеющая температуру кипения ниже температуры кипения воды при давлении, соответствующем давлению газа в канале выходного устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в газотурбинной установке, содержащей входное устройство, компрессор, камеру сгорания, турбину привода компрессора, выходное устройство, в канале входного устройства перед компрессором расположен теплообменник-конденсатор, а в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора - теплообменник-нагреватель. Теплообменники закольцованы через паровую турбину и насос высокого давления: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует жидкость, переходящая в пар и обратно. Во входной канал перед теплообменником-конденсатором подается вода. В выходном канале за теплообменником-нагревателем установлен теплообменник-испаритель, который закольцован через турбину, теплообменник и насос: теплообменник-испаритель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса; выходной ресивер турбины соединен с входом в теплообменник, выход из которого соединен с входом в насос. Внутри закольцованной системы циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно.
Предпочтительно, чтобы давление за турбиной было ниже атмосферного.
На фиг.1 изображена схема парогазовой установки;
е
на фиг.2 изображены зависимости эффективного к.п.д. η от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;
уд
на фиг.3 изображены зависимости удельной мощности ПГУ Ne от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;
на фиг.4 изображен термодинамический цикл ПГУ;
на фиг.5 изображена схема парогазовой установки;
е
на фиг.6 изображены зависимости эффективного к.п.д. η от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;
уд
на фиг.7 изображены зависимости удельной мощности ПГУ Ne от относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг*;
на фиг.8 изображена диаграмма эффективности ПГУ.
Парогазовая установка (фиг.1) состоит из входного устройства 1, водяного коллектора 2, теплообменника-конденсатора 3, компрессора 4, камеры сгорания 5, турбины привода компрессора 6, теплообменника-нагревателя 7, выходного устройства 8, паровой турбины 9, насоса высокого давления 10, теплообменника 11, электрогенераторов 12, насосов н. Теплообменник-конденсатор 3 установлен в канале входного устройства 1 перед компрессором 4. Водяной коллектор 2 установлен на входе в теплообменник-конденсатор 3. Теплообменник-нагреватель 7 установлен в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора 6. Паровая турбина 9, теплообменник-конденсатор 3, насос высокого давления 10 и теплообменник-нагреватель 7 закольцованы: теплообменник-конденсатор с одной стороны соединен с выходным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с входом в насос высокого давления; теплообменник-нагреватель с одной стороны соединен с входным ресивером паровой турбины, с другой стороны - с выходом из насоса высокого давления. Внутри закольцованной системы циркулирует вода, переходящая в пар и обратно.
Работа установки осуществляется следующим образом. Воздух, поступающий из атмосферы в канал 1, смешивается с водой, поступающей в тот же канал через коллектор 2. В теплообменнике-конденсаторе смесь нагревается до 100°C и более, в результате чего вода, находящаяся в смеси, превращается в сухой пар. Паровоздушная смесь сжимается в компрессоре до давления ~2 МПа (давление ограничено температурой лопаток компрессора) и подается в камеру сгорания, туда же по внутреннему каналу теплообменника 11 подается топливо. Образующаяся топливовоздушная смесь (с примесью пара) сгорает, в результате чего температура газа перед турбиной увеличивается до 1700 K и более. В турбине 6 температура и давление продуктов сгорания понижаются. Давление приближается к атмосферному, а температура сохраняется либо выше, либо близкой к критической для воды. Турбина совершает полезную работу. Из турбины 6 продукты сгорания попадают в теплообменник-нагреватель 7, по внутренним каналам которого под действием насоса 10 движется вода. Вода (в теплообменнике 7) в результате теплообмена с продуктами сгорания превращается в перегретый пар. Температура продуктов сгорания на выходе из теплообменника 7 понижается (~140°C). Продукты сгорания удаляются в атмосферу.
Перегретый пар поступает в паровую турбину 9. В турбине давление и температура пара понижаются. Турбина совершает полезную работу. Давление перед турбиной (за насосом высокого давления) выбирается таким, чтобы на выходе из турбины при давлении ~0,2 МПа пар был сухим (это ~15 МПа). Пар проходит через теплообменник 11 и попадает в теплообменник-конденсатор 3. В теплообменниках 11 и 3 от пара отводится теплота. В результате отвода теплоты пар охлаждается и переходит в жидкое состояние - воду. Вода откачивается насосом 10, что обеспечивает понижение давления в магистрали за турбиной 9, а также перепад давлений на указанной турбине.
Передача теплоты в теплообменнике-конденсаторе 3 происходит вследствие разницы температур рабочих тел внутри (пар, переходящий в воду) и снаружи (смесь воздуха и воды, переходящей в пар) теплообменника 3. Передача теплоты происходит последовательно в три этапа. На первом этапе в результате теплообмена температура пара понижается ~ до 120°C (давление пара ~0,15 МПа), а температура смеси увеличивается ~ до 100°C (давление смеси - атмосферное). При достижении указанных температур (второй этап) происходит конденсация пара с выделением теплоты и испарение воды с поглощением указанной теплоты (энергия парообразования передается от одного рабочего тела другому). На третьем этапе (после завершения процессов конденсации и испарения) происходит (за счет теплообмена) понижение температуры конденсата и увеличение температуры паровоздушной смеси до значений (более 100°C), при которых наступает тепловое равновесие. В результате описанных процессов в теплообменнике-конденсаторе устанавливается стационарный тепловой поток, основу которого составляет энергия парообразования воды, поступающей в ПГУ через коллектор 2.
Полезная работа, совершаемая парогазовой установкой, преобразуется в электрическую энергию в генераторах электрического тока 12.
yд
н
н
е
На фиг.2 и фиг.3 показаны зависимости эффективного к.п.д. и удельной мощности Ne (мощности, приходящейся на килограмм расхода воздуха) ПГУ (фиг.1) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды δ (расход воды, приходящийся на килограмм расхода воздуха) и температуры газа перед турбиной Tг* при степени повышения давления в компрессоре πк=20, которая ограничена прочностью лопаток компрессора. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими к.п.д. термодинамических процессов: 0,85 - для сжатия; 0,92 - для расширения; 0,98 - для сгорания; 0,99 - механический к.п.д. Расчет выполнен для стандартных условий: t=15°C и P=760 мм рт.ст. Видно, что η для δ=0,2 достигает значений 63%, а удельная мощность - 1200 кВт/кг.
1
2
1-2
2
2-1
1
На фиг.4 показан термодинамический цикл ПГУ (фиг.1) в T-S координатах. Буквами обозначены состояния рабочего тела в характерных сечениях ПГУ: н - вход во входное устройство; в - вход в компрессор; к - выход из компрессора; г - вход в турбину; т - выход из турбины; с - выход из выходного устройства (сопла). Цикл ПГУ состоит из внешнего L и внутреннего Lциклов. Внутренний цикл - это цикл, который не имеет энергообмена с внешней средой (энергообмен осуществляется только с внешним циклом), что делает внутренний цикл в составе ПГУ абсолютно эффективным (внешние потери отсутствуют). Внутренний цикл преобразует тепловую энергию внешнего цикла Q в работу L и тепловую энергию Q, которая тратится на создание рабочего тела (паровоздушная смесь) внешнего цикла. Паровоздушная смесь имеет большую удельную теплоемкость, чем воздух, что при тех же температурах Tг* позволяет иметь: а) более высокое удельное теплосодержание рабочего тела - меньшую долю затрат энергии на собственные нужды ПГУ, б) более высокую работу цикла L - большую удельную мощность ПГУ.
Недостатком ПГУ является то, что энергия парообразования воды, которая тратится на создание рабочего тела внешнего цикла (площадь, закрашенная на фиг.4 серым цветом), после завершения цикла теряется.
На фиг.5 изображена ПГУ, в которой указанные потери тепла (энергия парообразования) преобразуются в полезную работу - потери тепла уменьшаются до размеров площади, закрашенной в черный цвет (фиг.4).
ПГУ (фиг.5) состоит из ПГУ (фиг.1), в выходном канале 8 которой установлен теплообменник-испаритель 13, который закольцован через турбину 14, теплообменник 15 и насос 16: теплообменник-испаритель с одной стороны соединен с входным ресивером турбины, с другой стороны - с выходом из насоса; выходной ресивер турбины соединен с входом в теплообменник, выход из которого соединен с входом в насос. Внутри закольцованной системы циркулирует этиловый спирт, переходящий в пар и обратно. Турбина 14 соединена с электрогенератором 12.
Работа установки осуществляется следующим образом. Продукты сгорания, температура которых более 100°C, по каналу 8 поступают в теплообменник-испаритель 13, внутри которого под давлением ~0,19 МПа при температуре ~50°C циркулирует этиловый спирт. В результате теплообмена спирт нагревается до температуры более 95°C, превращаясь в перегретый пар (температура кипения спирта ~95°C), а продукты сгорания охлаждаются до температуры менее 95°C, при которой водяной пар, находящийся в продуктах сгорания, превращается в воду (между спиртом и водой происходит обмен энергиями парообразования). Продукты сгорания (вместе с водой) удаляются в атмосферу.
Перегретый пар поступает в турбину 14. В турбине давление и температура пара понижаются. Турбина совершает полезную работу. Давление за турбиной ниже атмосферного (выбирается таким, чтобы на выходе из турбины пар был сухим). Из турбины пар поступает в теплообменник 15. За счет теплообмена между паром и холодной водой, циркулирующей внутри теплообменника 15, пар конденсируется (превращается в жидкий спирт) и охлаждается (~50°C). Жидкий спирт откачивается насосом 16, который поддерживает заданный перепад давлений на турбине 14.
Полезная работа, совершаемая турбиной, преобразуется в электрическую энергию в генераторе 12.
уд
к
н
н
На фиг.6 и фиг.7 показаны зависимости эффективного к.п.д. и удельной мощности Ne ПГУ (фиг.5) от параметров рабочего процесса: относительного расхода воды δ и температуры газа перед турбиной Tг* при степени повышения давления в компрессоре π=20. Топливо - керосин. В расчете потери учитывались соответствующими к.п.д. термодинамических процессов: 0,85 - для сжатия; 0,92 - для расширения; 0,98 - для сгорания; 0,99 - механический к.п.д. Расчет выполнен для стандартных условий: t=15°C и P=760 мм рт.ст. Видно, что эффективный к.п.д. ПГУ (фиг.5) по отношению к базовой ПГУ (фиг.1) повышается на 3÷4%, а удельная мощность - на 10÷12%.
Предельная (теоретическая) эффективность ПГУ (фиг.5) зависит от применяемого топлива и может быть оценена как
,
где α=1,1÷1,2 - коэффициент избытка воздуха;
Lo - стехиометрический коэффициент;
Hu - теплота сгорания топлива;
δ=0,2÷0,3 - относительный расход воды;
m=0,5÷0,6 - относительный расход спирта;
r=850 кДж/кг - удельная теплота парообразования спирта;
в
c=1,004 кДж/(кг·град) - удельная теплоемкость воздуха;
вод
c=4,18 кДж/(кг·град) - удельная теплоемкость воды.
На фиг.8 показаны предельные значения эффективных к.п.д., которые можно получить, используя принцип преобразования энергии, заложенный в ПГУ (фиг.5), для топлив: керосин, метан, водород.
Положительным результатом предлагаемых технических решений является расширение возможностей повышения эффективного к.п.д. тепловых машин (газотурбинных установок) до 60÷75% и более, что на 10÷15% выше, чем у лучших аналогов.