Способ повышения эффективности газотурбинной установки

 

Использование: в газотурбинных установках для привода газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов. Сущность изобретения: подают через сопловый аппарат турбины в проточную часть установки воду и осуществляют перепуск сжатого воздуха мимо камеры сгорания пропорционально количеству подаваемой воды. 1 ил.

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с охлаждением горячих частей турбинного тракта за счет испарения впрыскиваемой в этот тракт воды. Наиболее приемлемо использование изобретения для привода газоперекачивающих агрегатов (ГПА) на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов, в которых силовая турбина отделена от воздушного компрессора.

Для газотурбинных установок в настоящее время еще не до конца решена проблема эффективного снижения температуры рабочего тела газовых турбин до приемлемого с точки зрения жаростойкости используемых материалов уровня, что вызывает необходимость применения в их конструкциях дорогих жаростойких легированных сталей.

В частности, известны газотурбинные установки, в которых для снижения температуры рабочего тела используется подача в камеру сгорания циклового воздуха со значительным избытком. Однако в этом случае имеет место большой перерасход мощности на компримирование воздуха, подаваемого для снижения температуры газотурбинного тракта. Коэффициент избытка воздуха при этом достигает порядка 7, вследствие чего отходящие продукты сгорания ГТУ содержат до 80% кислорода от его первоначального содержания в атмосфере [1] Более совершенными по эффективности и уменьшению мощности, требующейся для привода воздушного компрессора, являются газовые турбины, для снижения температуры рабочего тела которых используется впрыск воды. Однако впрыск в газовый тракт значительного количества воды может привести к возникновению помпажа в воздушном компрессоре из-за перемещения рабочей точки на его характеристике в левую сторону.

Известен способ повышения эффективности ГТУ, заключающийся в подводе от компрессора в камеру сгорания турбины сжатого воздуха, подаче в проточную часть установки охлаждающего агента в виде водяного пара и перепуске части сжатого воздуха, минуя камеру сгорания пропорционально подаваемому охлаждающему агенту [3] Недостатком этого решения является то, что при подаче пара не используется скрытая теплота парообразования для снижения температуры рабочего тела и из заявки не известно, какое количество воздуха перепускается, минуя камеру сгорания. Впрыск в камеру сгорания водяного пара вместо воды не обеспечивает равного по своей эффективности охлаждения теплонапряженных элементов газовой турбины.

Целью изобретения является создание способа повышения эффективности работы газотурбинной установки, в которой использование впрыска воды для понижения температуры рабочего тела не вызывает недопустимых последствий для ее эксплуатации.

Цель достигается тем, что при впрыске воды в сопловой аппарат газовой турбины за камерой сгорания уменьшают количество воздуха, подаваемого в нее, пропорционально количеству впрыскиваемой воды в следующем соотношении: Δm_возд= m где Δm_возд величина, на которую уменьшают количество воздуха, подаваемого в камеру сгорания турбины, кг; m_воды количество впрыскиваемой воды, кг; Т_п температура парообразования при давлении на входе в турбину, К; Т_рт температура рабочего тела на выходе из камеры сгорания турбины, К; Т_воды, Т_возд температура соответственно воды и воздуха на входе в турбину, К; r теплота парообразования, Дж/кг; С, С_р^в, С_р^п удельная теплоемкость соответственно воды, воздуха и пара, Дж/кг ˙ град.

Указанное соотношение получено, исходя из условия равенства температуры рабочего тела на входе в турбину как при охлаждении его всем проходящим через камеру сгорания с высоким коэффициентом избытка цикловым воздухом (т.е. с учетом Δm_возд), так и при впрыске воды. В результате такого пропорционального изменения количества воды и воздуха исключается помпаж воздушного компрессора, а сама рабочая точка на его характеристике практически за счет перепуска воздуха остается на прежнем месте. Этим и обеспечивается повышение эффективности работы ГТУ при впрыске воды.

Более предпочтительным при таком способе является использование газовых турбин с отделенным от силовой турбины воздушным компрессором, что существенно облегчит решение вопросов ремонта или полной замены таких компактных газовых турбин из-за сокращения срока их службы в результате повышенного эрозионного износа лопаток и проточных частей турбины при их изготовлении из сталей с недостаточно высокой жаростойкостью.

На чертеже на примере компрессорной станции магистрального газопровода показана схема газотурбинной установки с отделенным от силовой турбины воздушным компрессором, работающая с впрыском воды в сопловой аппарат турбины.

Схема содержит воздухозаборную камеру (ВЗК) 1, первую ступень 2 воздушных компрессоров (ВК), приводную газовую турбину (ГТ) 3 воздушного компрессора, установку 4 охлаждения воздуха между первой и второй ступенями воздушных компрессоров, камеру 5 сгорания (КСГ) приводных турбин ВК, трубопровод 6 подачи воздуха с первой ступени компримирования на вторую, трубопровод 7 подачи циклового воздуха в камеру сгорания турбин, регуляторы 8 подачи циклового воздуха, воздушный компрессор 9 второй ступени, выкидной трубопровод 10 второй ступени, кольцевой раздаточный трубопровод-ресивер 11 циклового воздуха, камеру 12 сгорания силовой турбины основного компрессорного цеха, 13 силовую турбину 13, центробежный нагнетатель 14 газа (ЦБН), всасывающий и нагнетательный трубопроводы 15 основного компрессорного цеха, трубопровод 16 подачи воды для впрыска в сопловой аппарат газовых турбин, регулятор 17 подачи воды, дымогарные трубы 18 ГТУ, дистилляторы 19 воды, трубопровод 20 подачи воды к дистилляторам.

Газотурбинная установка с впрыском воды работает следующим образом. После запуска и вывода на холостой ход любой из газовых турбин 3 или 13 одновременно с их загрузкой начинают наряду с регулируемой подачей топлива и циклового воздуха в камеры сгорания турбин осуществлять с помощью регулятора 17 дозированную подачу воды для впрыска в сопловой аппарат турбины с таким расчетом, чтобы при уменьшении подачи циклового воздуха в камеру сгорания температура рабочего тела оставалась в установленных пределах.

При этом достаточно жесткие требования к чистоте впрыскиваемой воды (отсутствие солей, коррозионно-активных химпримесей и т. д.) могут быть обеспечены за счет использования дистиллированной воды, получаемой как путем установки на дымогарных трубах ГТУ компактных дистилляторов, работающих на тепле отходящих газов, так и путем конденсации паров воды из тех же газов. По данным [1] на каждый МВт мощности ГТУ, работающей без впрыска воды, можно получать таким образом до 10-12 м³ воды в сутки.

Преимущества предложенного способа следующие.

Резкое сокращение затрат мощности на компримирование избытка циклового воздуха в расчете на одну работающую турбину позволит повысить КПД как силовых турбин основного компрессорного цеха, так и приводных турбин воздушных компрессоров по предварительной оценке до 62-65%
Для ГТУ с впрыском воды и отделенным от силовых турбин цехом воздушных компрессоров создаются наиболее благоприятные условия для оптимизации режима их работы в связи с возможностью непосредственного прямого воздействия на все три компонента, влияющих на образование рабочего тела: топливо, цикловой воздух и впрыск воды. Такая ГТУ будет иметь три ручки управления "топливо", "воздух" и "вода".

Вместе с высоким энергетическим эффектом уменьшение подачи циклового воздуха за счет впрыска воды по предложенному способу позволяет значительно смягчить и экологические последствия эксплуатации огромного по своим масштабам парка ГТУ на магистральных газопроводах (около 40 тыс. МВт) как из-за резкого (примерно в пять раз) сокращения окисляющего в расчете на одну работающую турбину в ее камере сгорания воздуха, что во столько же раз снизит образование окислов азота и их выброс в атмосферу, так и из-за того, что связанные с молекулами воды окислы в продуктах сгорания можно улавливать с помощью более простых фильтров, обеспечивая экологически чистый выхлоп турбины.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ, заключающийся в подводе сжатого воздуха в камеру сгорания, подаче охлаждающего агента в проточную часть установки и перепуске части сжатого воздуха перед камерой сгорания, пропорциональной количеству подаваемого агента, расширении в турбине, отличающийся тем, что в качестве охлаждающего агента используют воду, ее подачу в проточную часть установки осуществляют через сопловой аппарат, а количество Δm_возд перепускаемого воздуха по массе определяют по формуле

где m_воды количество впрыскиваемой воды, кг;
T_п температура парообразования при давлении на входе в турбину, К;
T_рт температуры рабочего тела на выходе из камеры сгорания турбины, К;
T_воды, T_возд - температуры воды, воздуха на входе в турбину соответственно, К;
τ теплота парообразования, Дж/кг;
C, C^в_р , C^п_р удельные теплоемкости воды, воздуха и пара соответственно, Дж/кг · град.

РИСУНКИ

Рисунок 1