Способ работы газотурбинной установки

 

Использование: в газотурбинных и парогазовых установках. Сущность изобретения: при подогреве воздуха и охлаждении газов в промежуточном регенераторе, расположенном между ступенями турбины, охлаждение газов производят при оптимальном давлении и оптимальной степени повышения давления и КПД, определяемых по приведенным в материалах изобретения формулам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 F 02 С 7/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

Q3 (Л

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4891422/06 (22) 13.12.90 (46) 15.11.92, Бюл. N 42 (71) Всесоюзный научно-исследовательский технологический институт энергетического машиностроения (72) В.Ю.Тихоплав (56) Шварц В.Н. Конструкция газотурбинных установок. M,: Машиностроение, 1970, с. 23-32.

Христич B.À„Ëàáèíoâ С,Д. Эффективность применения цикла с промежуточной регенерацией для энергетических и транспортных газотурбинных установок. Энергетика, Издательство высших учебных заведений, 1984, Гч 8, с, 46-52.

Изобретение- относится к энергетическому и судовому машиностроению и может быть использовано в газотурбинных и парогазовых установках, Известен способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха в компрессорах низкого и высокого давления с охлаждением воздуха между компрессорами, его подогрев в концевом регенераторе, сжигание топлива в основной и дополнительной камерах сгорания, расширение газов в турбинах высокого и среднего давления, вращающих компрессоры, дальнейшее его расширение в турбине низкого давления, отдающей- механическую энергию полезной нагрузке (Шварц B,А. Конструкции газотурбинных установок. — М,:

Машиностроение, 1970, с. 23-32).

„„5U„„1775561 Al (54) СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ

УСТАНОВКИ (57) Использование: в газотурбинных и парогазовых установках. Сущность изобретения; при подогреве воздуха и охлаждении газов в промежуточном регенераторе, расположенном между ступенями турбины, охлаждение газов производят при оптимальном давлении и оптимальной степени повышения давления и КПД, определяемых по приведенным в материалах изобретения формулам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Недостатком известного технического решения является сравнительно низкая экономичность установки, что обусловлено ограничением допустимой максимальной температуры газа на входе в регенератор.

Известен способ работы ГТУ, включающий сжатие воздуха в компрессоре, его подогрев в промежуточном регенераторе и в камере сгорания, расширение газов в nepBbIx ступенях высокого давления, отдающих механическую энергию компрессору, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях турбины, отдающих механическую энергию потребителю (Христич В.А., Лабинов С.Д. Эффективность применения цикла с промежуточной регенерацией для энергетических и транспортных газотурбинных ус"

1775561

20 к, ((, -тв/т,1

NT2opt — тановок//Энергетика... Изв. высш.учеб. заведений, 1964, М 8, с. 46-52).

Недостатком известного технического решения является низкий КПД ГТУ по сравнению с КПД повсеместно используемых

ГТУ с классической концевой регенерацией.

Целью изобретения является повышение КПД ГТУ, Поставленная цель достигается тем, что в способе работы ГТУ, включающем сжатие воздуха по меньшей мере в одном компрессоре, подогрев сжатого воздуха в промежуточном регенераторе и по меньшей мере в одной камере сгорания, расширение газов в первых ступенях турбины Т1, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях турбины Тг, охлаждение газов в прсмежуточном регенераторе производят при их оптимальном Давлении на входе в газовый тракт регенератора, равном

Poxopt = Ра 7ттгорсl(ьрг живых), где P> — атмосферное давление; ьрг, (вых коэффициенты Восстановления давления в газовом тракте регенератора и в выхлопном коллекторе ГТУ соответственно, зависящие от гидравлических потерь в тракте и коллекторе;

W2opt — ОПтиМаЛьная СтЕпЕнь пОнижЕния давления в последующих ступенях турбины, включенных после промежуточного регенератора, причем

ГДЕ т1(К,)— (. ) т1

1з(7гк) =(кг/кр) о лГ : т6 (Жс ) = (кс у т ((7ск )

К1 = (Ог1/Gb) (Cmr1/Cpmb) gMT1

IQ = (Gr2/Gb) (Cpmr2/Cpmb) gMT2 индексы 1 и 2 относятся к турбинам Ti и Тг соответственно.

Кроме этого, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальной степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре, равной И(" а) 4(т111 G (4(та) 1епмх

"М.. .()-(-6) /.., 1 м <,(,.1->М, I() ";.

4("„f % (t " а ) " (dlxrÍ"„l(} ((и 1(1

mi ° IRrl ðëèI 0т eon) в к("elcpine)lF no i индексы 1 и 2 по-прежнему относятся к

15 турбинам Т1 и Т2 соответственно, При этом охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при максимальном КПД, равном

Такое новое техническое решение всей своей новой совокупностью существенных признаков обеспечивает повышение КПД

ГТУ благодаря охлаждению газов в проме35 жуточном регенераторе при оптимальном давлении газов на входе в газовый тракт промежуточного регенератора и при оптимальной степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре.

40 Приведенная совокупность существенных признаков, а именно комплекса трех выражений, определяющих оптимальные величины Рвхррь zA

Это позволяет заявителю считать. что предложенное решение отвечает критерию

"существенные отличия", Предложенное изобретение проиллю50 стрировано чертежами, где на фиг, 1 изображена принципиальная схема ГТУ, осуществляющей заявляемый способ; а на фиг. 2 — приведены графики зависимостей /в = це(Лк) для ГТУ, 55 ГТУ содержит компрессоры низкого 1 и высокого 2 давления, компрессорные турбины высокого 3 и среднего 4 давления, ступени 5 силовой турбины, полезную нагрузку 6, воздухоохладитель 7, основную камеру сго1775561

35

55 рания 8, дополнительные камеры сгорания

9 и промежуточный регенератор 10.

Компрессоры 1 и 2 служат для сжатия воздуха. Комп рессорные турбин ы высокого

3 и среднего давления 4 служат для привода компрессоров высокого и низкого давления соответственно. Ступени 5 силовой турбины служат для привода полезной нагрузки 6.

Воздухоохладитель 7 служит для охлаждения сжатого воздуха, Основная 8 и дополнительные 9 камеры сгорания служат для сжигания в них топлива и подогрева рабочей среды, промежуточный регенератор 10 служит для охлаждения газов между ступенями 5 силовой турбины и подогрева сжатого в компрессорах 1 и 2 воздуха.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

Рабочую среду, преимущественно атмосферный воздух, подают в компрессор низкого давления 1, сжимают в нем и направляют в воздухоохладитель 7, где воздух охлаждают. После воздухоохладителя 7 воздух подводят к компрессору высокого давления 2, сжимают в нем и направляют сжатый воздух в промежуточный регенератор 10, где его нагревают перед поступлением в основную камеру сгорания 8. Путем сжигания топлива в потоке сжатого воздуха в основной камере сгорания 8 получают горячие газы, которые подводят в компрессорную турбину высокого давления 3, где газы расширяются, а затем их подводят в первую из дополнительных камер сгорания

9, подогревают в ней и после этого горячие газы расширяются в компрессорной турбине среднего давления 4, После повторного подогрева во второй дополнительной камере сгорания 9 газы направляют в первые ступени 5 силовой турбины, где они предварительно расширяются и затем их подводят к промежуточному регенератору, в котором газы охлаждают, Из промежуточного регенератора охлажденные газы подводят к последующим ступеням 5 силовой турбины, в которых они окончательно расширяются и затем их отводят в следующее за ГТУ устройство, например, в котел-утилизатор, а оттуда — в окружающую среду, преимущественно в атмосферу, Охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальном давлении на входе в газовый тракт регенератора равном

PDxopt = Ра T2opt/((рг живых ) где Pa — атмосферное давление;

gpr, (вых - коэффициенты восстановления давления в газовом тракте регенерато5

25 ра и в выхлопном коллекторе ГТУ соответственно; тгтгор — оптимальная степень понижения давления в последующих ступенях турбины, включенных после промежуточного регенератора, причем

<.(""1 "1 2 opt, (y6.т.а . м „ <о .(1r„ где 1,(„1.(м,. )((, 1 ",,, (Ге.)-"

<зВ.1=(x /xr) о ь к

1е(и„1 (Q.ô.((. ) л т

«/ Е) (p «lÑ р,r) „yg °

Gr1, Gr2 — раСХОд ГаЗОВ ЧЕРЕЗ СтуПЕНИ турбины Т1, включенной до промежуточного регенератора, и через ступени турбины Т2, включенной за промежуточным регенератором;

Cpmr1, Cpmr2 — СРЕДНИЕ ИЗОба РН ЫЕ ТЕПЛОемкости газов в процессах расширения в турбинах Т1 и Т2 соответственно;

1/мт1, 1 мт2 — механические КПД турбин

Т1и Т2;

Gb — расход воздуха через компрессор;

Cpmb — СРЕДНЯЯ ИЗОбаРНаЯ тЕПЛОЕМКОСтЬ воздуха в процессе сжатия в компрессоре;

Кр =(Grp/Gbp) (Cpmrp/Cpmbp - пРоизвеДЕние отношений расходов газов и воздуха и средних изобарных теплоемкостей газов и воздуха в промежуточном регенераторе(индекс р) т= Тз/Т1 — температурный коэффициент;

Т1 — температура воздуха перед компрессором низкого давления;

Тз — температура газов перед турбиной

Т1;

0 — степень регенерации по температурам; (= (лт1 лтг )/xk — коэффициент сохранения давления в цикле ГТУ;

Лт1, лтг — степени понижения давления в турбинах Т1 и Т2 соответственно; т к — степень повышения давления в компрессоре;

mT) = (Rr1/Cpmr1) Т1пол

1= пИс = (Rb/Cpmb)/ фоол, 11тпол Цкпол политРопные КПД тУРбомашины;

Rr1, Rb — газовая постоянная газов и воздуха соответственно; (кс = 9т Qp /tCpmb (TÇ T5)j;

1775561

9т = От/Gb — относительный РасхоД топлива в ГТУ;

6т — массовый секундный расходтоплива;

Ть — температура воздуха при выходе из 5 промежуточного регенератора;

Qp — низшая калорийность топлива;

gemàx — максимальный КПД цикла ГТУ, достигаемый при удовлетворении двух условий; 10

Л»с =Wopt И ЛТ2 =ЮТ2ор»; где Xi

xr2opt — оптимальная степень пониже- 15 ния давления в турбине Т2.

Кроме того, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальной степени повышения давления в компрессоре, равной 20 п т1(«("те1 1е(ете1) < с ф(е гете ершах л,- /(к >41

М.,- (1)-(- ) Ь ., t где т1(т2) =к» < (тгт2/ф) т2(2) =К < (1 ЮТ2 )

Х (1 0/ÊÐ ) (ЛТ2/ф)

Ф

f3(_#_f2) = (К2/Кр ) (1 — Т2 ) O; т4(Г Т2) тГТ2Л )

mT2 = (Rr2lÑðmã2 ) p/T2noa 35 индексы 1 и 2 по-прежнему относятся к турбинам Т» и Т2 соответственно.

При этом охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при максимальном КПД, равном 40

"тi opt (kopt)< "г2орЕ >

" +4 Ì"t(ОрА2.Р 1 " ."."-t1

6! 1 ((KoPt)I Q,0Pt) +(» Й " х еРф

На фиг. 2 приведены графики зависимостей ge = ge(): кривая 1 — для ГТУ, принятой в качестве прототипа, кривая 2 — для

ГТУ, осуществляющей предлагаемый спо- 55 соб, кривая 3 — для ГТУ с конечной регенерацией, являющейся традиционной.

В работе В.lO.Tèxonëàâ, И.И,Кириллов, Т.С.Тихоплав. Исследование циклов ГТУ с .регенерацией (пром. теплотехника, 1990, т,12, N 2. с. 49-55 и фиг. 2) показано, что благодаря выбору оптимальных величин 20pt = 2,2, К = 14,6 при начальной температуре газов Т3 = 1500 С >jemax = 0,4646 (кривая 2 фиг. 2) и является стабильной величиной в диапазоне д< = 8,5-25 (фиг. 2), Эти результаты существенно лучше показателей известных ГТУ с концевой регенерацией (кривая 3) или ГТУ по схеме прототипа (кривая 1).

Технико-экономический эффект предложенного изобретения, подтвержденный численными экспериментами (Тихоплав

B,Þ„Åèðèëëîâ И.И., Тихоплав Т.С.) (Пром. теплотехника, 1990, т.12, ¹ 22, с. 49-55), заключается в повышении КПД ГТУ путем комплексной (системной) оптимизации двух важнейших параметров термодинамического цикла — степени понижения давления в

"холодных" ступенях турбины, включенных по газу за газовым трактом промежуточного регенератора, и степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре, определяющей уровень давления газов на входе в газовый тракт промежуточного регенератора.

Формула изобретения

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха по. меньше мере в одном компрессоре, подогрев сжатого воздуха в промежуточном регенераторе и по меньшей мере в одной камере сгорания, расширение газов в первых ступенях турбины, охлаждение газов в промежуточном регенераторе и расширение газов в последующих ступенях — турбины, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при их оптимальном давлении на входе в газовый

- тракт регенератора, равном

Paxopt РЗ . ТТ20Р1/ (pt (Вых)1 где Pe — атмосферное давление, 4рт, (вых — коэффициенты восстановления давления в газовом тракте регенератора и в выхлопном коллекторе газотурбинной установке (ГТУ) соответственно;

Mr opt — оптимальная степень понижения давления в последующих после промежуточного регенератора ступенях турбины, равная соответственно

«(ед-4Ьк1 петар <о("«1

1 гЪЕ «а«(М; )f(Y "е1"" > ,,„, * -,1, 1 ч("е1*(Р е!®Р) d

6 (» " атее (сг !сф) (сртг !сртб1 1ип > а,-(a„feel (ср„ ср„ „„

1775561

1 Т2 = W2opt и & = &opt, Gr1 О 2 — расход газов через ступени турбины Т1, расположенные до промежуточного регенератора. и через ступени турбины

Т2, расположенной за ним;

Срп, Cpm — средние изобарные теплоем- 5 кости газов в процессах расширения в турбинах Т1 и Т2 соответственно;

17мт1, трт2 — механические КПД турбин

Т1 и Т2;

Gb —; 10

Срп ь — средняя изобарная теплоемкость воздуха в процессе сжатия в компрессоре; кр = (Огр/бьр) Ср р — произведение

Cpmbp отношений расходов газов и воздуха и средних изобарных теплоемкостей газов и воздуха в промежуточном регенераторе (индекс р);

r Тз/T1 — температурный коэффициент; 20

T1 — температура воздуха перед компрессором;

Тз — температура газов перед турбиной

Т1. а — степень регенерации по температу- 25 рам; (=(лт1- zc1-2)/к1, — коэффициент сохранения давления в цикле (ГТУ); лт1, л1.2 — степени понижения давления в турбинах Т1 и Т2 соответственно:

30 л — степень повышения давления в компрессоре; f1 =

1 йт1, 1 ь — „. ЧТ1пол k g < (1 Чкпол), 35

1р пол, дКпол — ПОЛИтрОПНЫЕ КПД турбОмашин, Йг1, ЙЬ вЂ” ГаэОВаЯ ПОСтОЯННаЯ ГаЗОВ И воздуха соответственно кс = ят0р /(Срть(ТЗ T5)) g> = Gt/Gb — относительный расход топлива в ГТУ;

GT — массовый секундный расход топлива;

Т5 — температура воздуха при выходе из промежуточного регенератора;

Qpн — низкая калорийность топлива;

ljeMaxc — максимальный КПД цикла ГТУ, достигаемый при удовлетворении двух условий: где л ор1 — оптимальная степень повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре;

Kr2opt — ОПтИМаЛЬНая СТЕПЕНЬ ПОНИЖЕния давления в турбине.Т2, включенной за промежуточным регенератором.

2. Способ по и. 1. отличающийся тем, что охлаждение газов в промежуточном регенераторе производят при оптимальной степени повышения давления по меньшей мере в одном компрессоре, равной те(7та1 4(7т 1)-с 6 4 (в

1 (Ф„11 . (1 "; ).ô,{t ф ) (Д т

1 (1 ) (и Щ ° .

1 г2

ГДЕ tttM = 1 т1пол. ртг2 индекс 2 относится к турбине Т2.

1775561

Фиг,f Составитель И.Василенко

Техред М.Моргентал Корректор О.Густи

Редактор А,Бер .

Заказ 4026 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10t