Солнечная гибридная газотурбинная энергетическая установка
SOLAR HYBRID GAS-TURBINE POWER PLANT

Настоящее изобретение относится к энергетике и представляет собой установку, включающую газотурбинный двигатель с интегрированным фокусирующим солнечным коллектором и предназначенную для генерации электроэнергии и теплоты.
Известна солнечная гибридная газотурбинная энергетическая установка (Kalathakis, С., Aretakis, N., Roumeliotis, I., Alexiou, A., and Mathioudakis, K. "Investigation of Different Solar Hybrid Gas Turbines and Exploitation of Rejected Sun Power." Proceedings of the ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition. Volume 3: Coal, Biomass and Alternative Fuels; Cycle Innovations; Electric Power; Industrial and Cogeneration; Organic Rankine Cycle Power Systems. Seoul, South Korea. June 13-17, 2016. V003T06A017. ASME. https://doi.org/10.1115/GT2016-57700), содержащая газотурбинный двигатель (ГТД), работающий по циклу Брайтона с регенерацией теплоты (Р) и состоящий из последовательно установленных компрессора, регенератора, камеры сгорания, турбины и генератора и интегрированный фокусирующий солнечный коллектор (ФСК), расположенный между регенератором и камерой сгорания. По совокупности существенных признаков данная установка наиболее близка к заявляемому изобретению и принята за прототип.
Недостатком указанной выше установки является невысокий КПД газотурбинного цикла и низкая эффективность использования ФСК.
Известен газотурбинный двигатель (патент RU 8414 U1 от 12.03.1997 г.) с турбокомпрессорным утилизатором, содержащий газогенератор и силовой турбокомпрессорный агрегат, состоящий из вала, силовой турбины перерасширения, регенератора для подогрева газа перед камерой сгорания газогенератора, отопителя, радиатора и дожимающего компрессора, отличающийся тем, что в силовом турбокомпрессорном агрегате между силовой турбиной перерасширения и дожимающим компрессором установлен охладитель газа, а в газогенераторе между компрессором и камерой сгорания - подогреватель сжатого воздуха, которые связаны контуром промежуточного высокотемпературного теплоносителя, перекачиваемого посредством насоса, причем в контуре установлен охладитель теплоносителя, а также утилизационный теплообменник.
Недостатком указанного выше двигателя является невысокий КПД относительно КПД дизельных двигателей.
Задача изобретения - повышение КПД газотурбинного двигателя и фокусирующего солнечного коллектора.
Техническая задача достигается тем, что заявляемая установка, в отличие от прототипа, дополнительно содержит турбокомпрессорный утилизатор, состоящий из турбины перерасширения, соединенной валом с дожимающим компрессором, а также регенератора и охладителя газов, расположенных между ними, при этом регенератор перенесен в состав турбо-компрессорного утилизатора, а турбокомпрессорный утилизатор установлен после силовой турбины и соединен с ней только газопроводом.
Применение турбокомпрессорного утилизатора в газотурбинном двигателе позволяет увеличить перепад давлений в силовой турбине, что приводит к увеличению ее мощности при неизменном расходе топлива, а, следовательно, и к увеличению эффективного КПД всего двигателя. Кроме того, турбокомпрессорный утилизатор имеет встроенный регенератор теплоты отработанных газов, что снижает расход топлива на подогрев рабочего тела, и также приводит к увеличению эффективного КПД всего двигателя. Встроенный в турбокомпрессорный утилизатор охладитель отработанных газов может использоваться в качестве котла-утилизатора, который может передавать утилизируемую теплоту как для нужд теплоснабжения, увеличивая теплотехнический (общий) КПД двигателя, так и на утилизационную электрогенерирующую установку, увеличивая эффективный КПД двигателя. Поскольку температура газов за силовой турбиной в заявляемой энергетической установке ниже вследствие более высокого перепада давлений в силовой турбине, чем в ГТД с Р, то при прочих равных условиях средняя температура рабочего тела в ФСК снижается, следовательно снижаются потери теплоты в окружающую среду и эффективность использования ФСК возрастает.
В качестве ФСК могут применяться солнечные коллекторы с концентраторами различного типа (параболоидные, параболоцилиндрические, гелиостаты), обеспечивающими нагрев рабочих газов после регенератора ГТД.
Принципиальная схема солнечной гибридной газотурбинной энергетической установки (СГГЭУ) представлена на чертеже, где изображены: 1 - нагрузка; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - силовая турбина; 5 - турбина перерасширения; 6 - дожимающий компрессор; 7 - охладитель газов; 8 - регенератор; 9, 10 - клапаны; 11 - фокусирующий солнечный коллектор (ФСК). Установка содержит газотурбинный двигатель (ГТД) с турбокомпрессорным утилизатором (ТКУ) и регенератором 8 теплоты, имеющий повышенную эффективность по сравнению с регенеративным газотурбинным двигателем. ГТД с ТКУ представляет из себя роторный тепловой двигатель и включает компрессор 2, камеру сгорания (КС) 3, силовую турбину 4, турбину перерасширения (ТП) 5 и дожимающий компрессор (ДК) 6, регенератор 8 теплоты отработанных газов, расположенный после ТП 5, и встроенный охладитель отработанных газов (ОГ1) 7, расположенный между регенератором и ДК 6. Компрессор 2, камера сгорания 3, и силовая турбина 4 установлены соосно с нагрузкой 1. Подводящий и отводящий трубопроводы ФСК 11, снабженные запорными клапанами 9, врезаются в трубопровод, соединяющий регенератор 8 с КС 3, который снабжен запорным клапаном 10, расположенным между врезками подводящего и отводящего трубопроводов ФСК. Кроме того, турбокомпрессорный утилизатор, состоящий из турбины перерасширения 5, регенератора 8, охладителя газов 7 и дожимающего компрессора 6, соединен с силовой турбиной 4 только газопроводом.
Установка работает следующим образом.
В установке предусмотрено два режима:
1) с использованием ФКС при достаточно интенсивном солнечном излучении, в этом случае клапаны 9 открыты, а клапан 10 закрыт;
2) без использования ФСК при недостаточно интенсивном солнечном излучении (восход и заход Солнца, зимнее время), а также в вечернее и ночное время, клапан 10 открыт, а 9 - закрыты.
Рассмотрим первый режим. Работу СГГЭУ обеспечивают подачей в камеру сгорания 3 воздуха, сжатого компрессором 2 и предварительно нагретого в регенераторе 8 и ФСК 11. Нагретый таким образом воздух, а также в случае необходимости, и топливо подаются в камеру сгорания 3. Образовавшиеся в КС 3 рабочие газы поступают на турбину 4 приводящую нагрузку 1 и компрессор двигателя 2. После турбины 4 рабочие газы поступают в турбину перерасширения 5, приводящую дожимающий компрессор 6. Отработанные газы после ТП 5 поступают в регенератор 8, где охлаждаются, передавая теплоту воздуху перед ФСК 11. После регенератора отработанные газы проходят через охладитель газов 7, отдавая теплоту для нужд теплоснабжения, либо на утилизационную электрогенерирующую установку. Охлажденные в охладителе 7 отработанные газы сжимаются дожимающим компрессором 6 и выбрасываются в атмосферу.
Рассмотрим второй режим. Работу СГГЭУ обеспечивают подачей в камеру сгорания 3 воздуха, сжатого компрессором 2 и предварительно нагретого в регенераторе 8. Нагретый таким образом воздух, а также топливо подаются в камеру сгорания 3. Образовавшиеся в КС 3 рабочие газы поступают на турбину 4 приводящую нагрузку 1 и компрессор двигателя 2. После турбины 4 рабочие газы поступают в турбину перерасширения 5, приводящую дожимающий компрессор 6. Отработанные газы после ТП 5 поступают в регенератор 8, где охлаждаются, передавая теплоту воздуху перед КС 3. После регенератора 8 отработанные газы проходят через охладитель газов 7, отдавая теплоту для нужд теплоснабжения, либо на утилизационную электрогенерирующую установку. Охлажденные в охладителе 7 отработанные газы сжимаются дожимающим компрессором 6 и выбрасываются в атмосферу.
В результате осуществления заявляемого решения повышается, как КПД газотурбинного двигателя, так и фокусирующего солнечного коллектора.