Способ для уменьшения выброса окислов азота газовой турбины и газотурбинная установка

 

Использование: в газотурбинных установках. Сущность изобретения: для уменьшения выброса окислов азота газовой турбины 1, к которой подводят полученное в топочной камере 4 с подводом сжатого воздуха L рабочее тело RG и средство охлаждения KL, согласно изобретению к средству охлаждения KL для восстановления окислов азота (NO_x) в газовой турбине подмешивают восстановитель RM, предпочтительно аммиак (NH₃) 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение касается способа для уменьшения выброса окислов азота газовой турбины, к которой подводят полученное в топочной камере с подводом сжатого воздуха рабочее тело и средство охлаждения.

При работе газовой турбины в газотурбинной установке к уменьшению образования окислов азота (NO_x) стремятся уже при получении рабочего тела в топочной камере. Для этого известны различные способы, которые в зависимости от используемого топлива, например природного газа, нефти или угля, применяются в отдельности или в подходящей комбинации друг с другом. При применении газообразного топлива его смешивают еще до сжигания в топочной камере с необходимым для получения рабочего тела сжатым воздухом. Другая возможность заключается в подмешивании к топливу в топочной камере пара. В случае способа, применяемого в комбинированной газо- и паротурбинной установке с газификацией угля, к топливу в топочной камере подмешивают азот, который образуется в этом процессе. С помощью названного способа доля окислов азота в рабочем теле поддерживается малой уже при его получении за счет того, что понижают температуру сжигания и тем самым избегают местных пиков температуры как причины образования термических окислов азота.

Известен способ для уменьшения выброса окислов азота газовой турбины путем подачи сжатого воздуха в топочную камеру и подвода к газовой турбине рабочего тела из топочной камеры и средств охлаждения и известна газотурбинная установка, содержащая компрессор, нагнетательный трубопровод которого подключен к топочной камере, которая трубопроводом сообщена с входом турбины, и трубопровод подачи средств охлаждения в газовую камеру.

В основе изобретения лежит задача создания такого способа, который позволяет простыми средствами снизить выброс окислов азота при эксплуатации газотурбинной установки или комбинированной газо- и паротурбинной установки. Должна быть создана также газотурбинная установка, которая наряду с низким содержанием окислов азота в отходящем газе имеет высокий КПД.

Эта задача решается тем, что к средству охлаждения добавляют восстановитель для восстановления окислов азота. С помощью введенного в газовую турбину вместе со средством охлаждения восстановителя по меньшей мере часть содержащихся в рабочем теле окислов азота восстанавливается еще внутри газовой турбины в элементарный азот. Таким образом получается дополнительная возможность удерживать содержание окислов азота в отходящем газе газовой турбины ниже предписанного законом граничного значения.

Для достижения эффективного применения восстановителя в газовой турбине его подводят к ступени газовой турбины, в которой температура рабочего тела лежит ниже температуры, при которой восстановитель горит и образует при этом дополнительные окислы азота. Это, в частности, необходимо тогда, когда температура рабочего тела при поступлении в газовую турбину лежит выше этой температуры реакции восстановителя. В качестве восстановителя предпочтительно используют аммиак (NH₃).

Чтобы поддерживать содержание окислов азота в рабочем теле уже до его поступления в газовую турбину возможно низким, в предпочтительном выполнении способа согласно изобретению при применении газообразного или жидкого топлива для получения рабочего тела к топочной камере подводят пар. В качестве альтернативы для избежания местного перегрева в топочной камере можно смешивать топливо еще перед сжиганием со сжатым воздухом. При применении в качестве топлива для получения рабочего тела каменноугольного газа к топочной камере подводят предпочтительно азот. С помощью комбинации одной или нескольких известных мер в способе согласно изобретению проявляется синергетический эффект, который обуславливает особенно предпочтительно при сравнительно небольших затратах дальнейшее уменьшение выброса окислов азота.

Относительно установки, которая содержит компрессор, топочную камеру и газовую турбину, а также трубопровод для средства охлаждения для подвода средства охлаждения в газовую турбину, поставленная задача решается за счет того, что к средству охлаждения добавляется восстановитель для восстановления окислов азота в газовой турбине.

На чертеже показана схематично газотурбинная установка с трубопроводом средства охлаждения, в который может запитываться восстановитель.

Газотурбинная установка содержит газовую турбину 1 с подсоединенным воздушным компрессором 2 и генератором 3, а также включенную перед газовой турбиной топочную камеру 4. Воздушный компрессор 2 расположен в трубопроводе 5, который введен в топочную камеру 4. На стороне нагнетания воздушного компрессора 2 к трубопроводу 5 подключен трубопровод 6 для средства охлаждения, который через ветви 7, 8 и 9 введен в различные ступени. К ветвям 7, 8 и 9 подключены трубопроводы 10, 11 и 12, которые связаны с общим трубопроводом 13 для подвода восстановителя RM. В трубопроводы 10, 11 и 12 включены отдельные устройства или вентили 14, 15 и 16.

При работе газотурбинной установки к топочной камере 4 по топливопроводу 17 подводят топливо B, например природный газ или каменноугольный газ, из установки для газификации угля (не показана). В топочной камере 4 топливо B сжигают со сжатым свежим воздухом L из воздушного компрессора 2. Возникающий при сжигании горячий дымовой газ RG служит в качестве рабочего тела и по трубопроводу 18 направляется в газовую турбину 1. Там дымовой газ RG расширяется и приводит в действие турбину. Она, в свою очередь, приводит к действие воздушный компрессор 2 и генератор 3. Рабочее тело или дымовой RG имеет при вводе в газовую турбину 1, т.е. при входе в первую ступень 19, высокую температуру T₁, в частности более 1100^оС. Температура рабочего тела RG уменьшается ступенями 19, 20 и 21 и составляет, например, в конце ступени 21 порядка 550^оС. С этой температурой Т₂ порядка 550^о рабочее тело RG покидает в качестве отходящего газа AG газовую турбину 1 по трубопроводу 22 в направлении трубы для отходящих газов (не показана). Отходящий газ AG может использоваться известным способом для производства пара в использующем тепло отходящих газов парогенераторе паротурбинной установки.

Ступенчато расширенное в ступенях 19, 20 и 21 газовой турбины 1 и при этом охлаждающееся рабочее тело или дымовой газ RG воспринимает в области более высокой температуры служащий в качестве средства охлаждения охлаждающий воздух KL, в частности вытекающий от направляющих и рабочих лопаток охлаждающий воздух KL. При этом место и количество вводимого охлаждающего воздуха KL зависит от входной температуры Т₁.

Подведенный охлаждающим воздухом KL по трубопроводу 13 восстановитель RM, например аммиак, попадает в газовую турбину 1, причем перед входом в газовую турбину он смешивается с охлаждающим воздухом KL и в газовой турбине с рабочим телом RG. При этом путем подходящего регулирования вентилей в зависимости от входной температуры Т₁ одну из лежащих в благоприятном для восстановления температурном диапазоне ступеней 19, 20 или 21 нагружают смесью охлаждаемого воздуха KL или восстановителя RM.

Максимальная температура рабочего тела RG в соответствующей ступени 19, 20 или 21 должна лежать внутри диапазона температур реакции восстановителя RM с окислами азота. Это означает, что при высокой входной температуре Т₁ рабочего тела RG порядка 1100^оС к первой ступени 19 при замкнутом вентиле 14 подводится только охлаждающий воздух KL. Восстановитель тогда подводится только к второй ступени 20 и при необходимости к третьей ступени 21 при открытых вентилях 15 и 16 вместе с протекающим по ветвям 8 и 9 охлаждающим воздухом KL. В любом случае должно обеспечиваться, чтобы не превышалась температура горения восстановителя RM. При этой реакции при применении аммиака получается азот и вода.

Для достижения уменьшения содержания окислов азота еще при получении рабочего тела RG в топочной камере 4 к нему в зависимости от вида используемого топлива В подводят по трубопроводу 23 пар D или по трубопроводу 24 азот N₂. Для достижения смешивания воздуха для сжигания или свежего воздуха L и топлива B перед зажиганием в топочной камере 4 перед ней включена ступень 25 предварительного смешивания, в примере выполнения горелка с предварительным смешиванием.

Формула изобретения

1. Способ для уменьшения выброса окислов азота газовой турбины путем подачи сжатого воздуха в топочную камеру и подвода к газовой турбине рабочего тела из топочной камеры и средство охлаждения, отличающийся тем, что в газовую турбину подают восстановитель окислов азота, подмешивая его к средству охлаждения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановитель подводят к ступени газовой турбины, в которой температура рабочего тела лежит ниже температуры горения восстановителя.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют аммиак.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что при применении газообразного или жидкого топлива для получения рабочего тела к топочной камере подводят пар.

5. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что при применении каменноугольного газа для получения рабочего тела к топочной камере подводят азот.

6. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что при применении газообразного топлива для получения рабочего тела топливо перед сжиганием в топочной камере смешивают с сжатым воздухом.

7. Газотурбинная установка, содержащая компрессор, нагнетательный трубопровод которого подключен к топочной камере, которая трубопроводом сообщена с входом турбины, и трубопровод подачи средств охлаждения в газовую турбину, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит трубопровод подачи восстановителя, подключенный к трубопроводу подачи средств охлаждения.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что топочная камера содержит ступень предварительного смешивания.

РИСУНКИ

Рисунок 1