МАЛОГАБАРИТНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергомашиностроению, а именно к малогабаритным тепловым электростанциям (мини-ТЭС).
Известна газотурбинная энергоустановка, содержащая компрессор, камеру сгорания, парогенератор, турбину, приводимую во вращение продуктами сгорания, и электрогенератор, кинематически связанный в валом турбины (см. патент RU 2160370, Кл. F01K 23/00, опубл. 10.12.2000). Недостатком известного устройства является относительно большие габариты и недостаточно эффективная утилизация тепловой энергии продуктов сгорания.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в уменьшении габаритов энергооборудования за счет эффективной компоновки, увеличении КПД и надежности газотурбинной энергоустановки. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что газотурбинная энергоустановка содержит компрессор, камеру сгорания, парогенератор, газовую турбину, приводимую во вращение продуктами сгорания, и электрогенератор, кинематически связанный в валом турбины, причем парогенератор выполнен в виде расположенных с зазором коаксиальных цилиндров, выход камеры сгорания подсоединен к внутреннему цилиндру парогенератора, из которого продукты сгорания поступают сначала в межцилиндровое пространство парогенератора, затем на турбину и вновь в парогенератор, при этом турбина и компрессор функционально объединены в единую турбокомпрессорную установку.
На фиг.1 изображена предлагаемая газотурбинная энергоустановка.
На фиг.2 - совмещенная условная термодинамическая диаграмма температура-энтропия (T-S диаграмма) газотурбинного и паротурбинного циклов такой установки.
Энергоустановка (см. фиг.1) состоит из компрессора 1, камеры сгорания 2, парогенератора 3, турбины 4 и электрогенератора 5. Парогенератор 3 выполнен в виде расположенных с зазором коаксиальных цилиндров 6. Выход камеры сгорания 2 подсоединен к внутреннему цилиндру 7 парогенератора 3. Турбина 4 и компрессор 1 функционально объединены в единую турбокомпрессорную установку 8.
Устройство запускается следующим образом.
На вход парогенератора 3 подается питающая вода. Из баллона под давлением (на фигуре не показан) сжатый воздух подается на лопатки компрессора 1. Компрессор 1 нагнетает воздух в камеру сгорания 2, куда также подается топливо. Полученная смесь поджигается и образовавшиеся продукты сгорания направляются во внутренний цилиндр 7 парогенератора 3, а затем через пространство между цилиндрами 6 на лопатки турбины 4. Далее компрессор 1 работает от механической энергии, вырабатываемой на турбине 4, в составе единой турбокомпрессорной установки 8. Электрогенератор 5, кинематически связанный с валом турбокомпрессора, преобразует полученную механическую энергию в электрическую. После турбины продукты сгорания вновь поступают в парогенератор, где посредством теплообмена нагревают питающую воду, образуя пар. Полученный пар может быть направлен в паротурбинную установку (на фиг. не показана) для дополнительного получения электроэнергии.
Газотурбинная энергоустановка может работать на природном газе, дизельном и других видах «благородного» топлива. После поджига в камере сгорания образуются греющие газы (продукты сгорания). Продукты сгорания имеют повышенное давление, за счет которого создается конвективный тепловой поток большой удельной плотности (значительно превышающей удельный лучистый тепловой поток, падающий на
теплообменную поверхность в камерных топках паровых котлов традиционной конструкции). С помощью организации спиральных парогенерирующих каналов нагреваемой среды (воды) предотвращается опасность возникновения кризиса кипения при больших удельных тепловых потоках.
С целью исключения затрат электроэнергии на компримирование воздуха для преодоления гидравлического сопротивления газовоздушного тракта в конструкции используется турбокомпрессор, работающий на продуктах сгорания при давлении в тракте 2,5-3,0 атм. В таком качестве может использоваться турбокомпрессор, применяемый для наддува дизельных двигателей. Турбина турбокомпрессора может выдавать избыточную мощность, которая при подключении на вал турбокомпрессора электрогенератора обеспечит получение электроэнергии. Таким образом, потребитель может получить как тепло, так и электроэнергию (до 30% мощности).
T-S диаграмма предлагаемой установки (см. фиг.2) имеет принципиальное отличие от диаграммы традиционной парогазовой установки. Часть газовоздушного тракта от выхода из компрессора до входа в турбину (участок 2-4) находится под полным давлением наддува. Это т.н. часть высокого давления (ЧВД). За турбиной (участок 5-6) в части низкого давления (ЧНД) газовоздушный тракт находится под давлением, близким к атмосферному. Допустимая температура продуктов сгорания перед лопатками газовой турбины достигается не путем увеличения коэффициента избытка воздуха до уровня α≈4-6 (что ведет к снижению КПД установки) или впрыска воды в продукты сгорания перед турбиной (что требует дополнительных затрат), а за счет предварительного снятия тепла на участке ЧВД (участок 3-4) на нагрев теплоносителя (пароводяной среды). Это позволяет более эффективно распорядится высокой температурой продуктов сгорания на участке между камерой сгорания и турбиной и соблюсти одно из важных условий экономичной работы парогазовой установки, минимизируя
α до значений 1,05-1,3 и, соответственно, в несколько раз снижая теплопотери с уходящими газами.
Таким образом, в конструкции парогенератора с турбокомпрессором (фиг.1) в одном модуле полностью реализован термодинамический цикл газотурбинной установки 1-2-3-4-5-6 (фиг.2) наряду с парогенерирующей частью b-с (фиг.2) паротурбинной установки.
Предлагаемая конструкция парогенератора является базой для создания установки сравнительно небольшой тепловой мощности (0,5-10 МВт) при давлении пара от 0,5 до 18 МПа и паропроизводительности от 1,0 до 20 т/ч.
Возможность получения электроэнергии от газотурбинного электрогенератора, как и от паротурбинного генератора создает достаточно гибкие условия энергоснабжения потребителя. Сниженные массогабаритные характеристики парогенератора позволяют создать, в частности, транспортабельные энергетические установки, способные работать в экстремальных климатических и географических условиях. В случае затруднений со сбросом тепла в паровом цикле или при работе парогенератора в водогрейном режиме способность получать электроэнергию от газотурбинного электрогенератора расширяет возможности графика нагрузки. Поскольку развитая теплообменная поверхность на экономайзерном участке ЧНД приводит к низкой температуре уходящих газов, исключение электропривода воздушного нагнетателя - к снижению расхода электроэнергии на собственные нужды, а предварительный отвод тепла к нагреваемой среде - к достижению допустимой температуры газов перед турбиной, газотурбинная энергоустановка согласно полезной модели является достаточно экономичной. За счет малой тепловой инерции парового котла, имеющего относительно низкие массогаборитные характеристики, с быстрым выходом на рабочий режим и наличия двух типов генераторов электроэнергии установка высокоманеврена. Наконец, она обладает эксплуатационной надежностью, поскольку один из основных узлов установки -
турбокомпрессор - хорошо отработан отечественной и мировой промышленностью в применении для наддува дизелей, имеет значительный ресурс и предназначен для работы в сложных эксплуатационных условиях. Конструкция удачно совмещает в одном агрегате тепловое оборудование газутурбинного цикла и паровой котел паротурбинного цикла, что существенно сокращает капитальные затраты на основное оборудование энергоустановки. Кроме того, значительно сокращаются вследствие снижения массогабаритных характеристик основного оборудования затраты на строительно-монтажные работы. Такая газотурбинная энергоустановка может быть изготовлена в удобном транспортабельном контейнерном исполнении.