Способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки и устройство для его осуществления

 

Способ и устройство предназначены для уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки. Способ включает сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине. А также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Воздух после сжатия разделяют на два потока. Первый из которых с расходом 5...50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания. А второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания. Газотурбинная установка включает размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор. последний сообщен воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - с камерой сгорания. Воздушный тракт на выходе из компресора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к проблеме вредного экологического воздействия газотурбинных установок (ГТУ) на окружающую среду, в первую очередь, выбросов окислов азота.

Известен способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки, в котором воздух сжимают, например, в компрессоре, затем нагревают в камере сгорания, после чего продукты сгорания - горячие газы расширяют в турбине, а образовавшиеся в процессе сгорания окислы азота удаляют из выхлопных газов химическим путем с добавлением специальных реагентов.

Этот способ сложен и дорог, так как требует создания крупногабаритных дорогих очистительных выхлопных систем и значительного расхода химических реагентов.

Известен также способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки путем снижения интенсивности образования окислов азота в процессе сгорания топлива, например, за счет организации двух или более зон горения со ступенчатым подводом топлива. (см. А.Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", Москва, "Мир", 1986 г., стр. 485, рис. 11.6).

Этот способ значительно усложняет конструкцию камеры сгорания и управление процессом горения, особенно для тех ГТУ, в которых применен регенеративный подогрев сжатого воздуха перед подачей его в камеру сгорания остаточным теплом выхлопных газов. Очевидно, что экономичность такой ГТУ тем лучше, чем выше регенеративный подогрев воздуха и, следовательно, его температура на входе в камеру сгорания; но известно, что повышение температуры воздуха на входе в камеру сгорания резко повышает интенсивность образования окислов азота.

Известна газотурбинная установка, включающая размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - со входом в камеру сгорания. (см. А.Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", Москва, "Мир", 1986 г. , стр. 485, рис. 11.6) Задача изобретения - существенное снижение образования окислов азота в ГТУ с регенеративным подогревом сжатого воздуха перед камерой сгорания при обеспечении высокого КПД. При этом повышение эффективности ГТУ достигается тем, что воздух, подогреваемый в регенераторе, или его часть подают в дополнительную воздушную турбину.

Указанная задача достигается тем, что в способе уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки, включающем сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине, а также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания, в нем воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5. . . 50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

Новым здесь является то, что воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5...50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

В результате этого при повышении средней температуры воздуха на входе в камеру сгорания температура его на входе в зону горения обеспечивается на относительно низком уровне, что, соответственно, снижает интенсивность образования окислов азота.

Кроме того, воздух, направляемый непосредственно в зону горения камеры сгорания, можно частично регенеративно подогревать.

В зону горения камеры сгорания можно частично подмешивать подогретый воздух второго потока.

Часть воздуха после максимального регенеративного подогрева можно направлять в дополнительную воздушную турбину.

После регенеративного подогрева сжатого воздуха можно производить утилизацию остаточного тепла выхлопных газов в дополнительном тепловом контуре и управлять расходом топлива и соотношением передачи тепла в регенераторе и дополнительном тепловом контуре путем перераспределения расходов между двумя потоками сжатого воздуха на выходе из компрессора.

Применение предлагаемого способа возможно в сочетании с другими известными способами, что может усилить полезный эффект.

Указанная задача достигается также тем, что в газотурбинной установке, включающей размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - со входом в камеру сгорания, в ней воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания.

Новым в установке является то, что воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания.

Воздушный тракт на выходе из регенератора может быть разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания.

Воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора может быть разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания.

Воздушный тракт на выходе из регенератора может быть разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной, турбины.

Дополнительная воздушная турбина может быть кинематически связана с основной, газовой, турбиной.

Газовоздушный регенератор может быть размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины.

На выходе из регенератора может быть размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода.

Дополнительный тепловой контур может быть размещен в низкотемпературной секции регенератора.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными признаками в заявленном техническом решении, что свидетельствует о его соответствии критерию "изобретательского уровня".

На фиг. 1 показана схема газотурбинной установки, реализующей способ уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки; на фиг. 2 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания; а на фиг. 3 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания; на фиг. 4 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной турбины; на фиг. 5 показана газотурбинная установка, у которой газовоздушный регенератор размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины. на фиг. 6 показана газотурбинная установка, у которой на выходе из регенератора размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода; на фиг. 7 показана газотурбинная установка, у которой дополнительный тепловой контур размещен в низкотемпературной секции регенератора.

Газотурбинная установка включает размещенные последовательно по газовом тракту компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3, газовоздушный регенератор 4, сообщенный воздуховодом 5 по своему входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора 1, а воздуховодом 6 по выходу нагреваемого воздуха - с зоной смешения камеры сгорания 2. Воздушный тракт на выходе из компрессора 1 разделен воздуховодами 9 и 5 на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения 10 камеры сгорания 2, а второй через регенератор 4 - с зоной смешения 8 камеры сгорания 2. Компрессор 1 кинематически связан с турбиной 2, которая в свою очередь кинематически связана с потребителем мощности 11.

Воздушный тракт на выходе из регенератора 4 может быть разделен на два канал 12 и 6, один из которых сообщен с зоной горения 10, а другой - с зоной смешения 8 камеры сгорания 3.

Воздушный тракт после компрессора 1 в промежуточной зоне регенератора 4 может быть разделен на два канала, один из которых 13 сообщен со входом в зону горения 10 камеры сгорания 3.

Воздушный тракт на выходе из регенератора 4 может быть разделен на два канала 6 и 14, первый из которых сообщен с зоной смешения 8 камеры сгорания 3, а второй - со входом дополнительной воздушной турбины 15.

Дополнительная воздушная турбина 15 может быть кинематически связана с основной газовой турбиной 3.

Газовоздушный регенератор 4 может быть размещен в выхлопе турбины 15 и выполнен в виде двух 16 и 17 секции, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную 16 и низкотемпературную 17, соединенных между собой смесителем 18, который сообщен воздуховодом 19 с выходом из дополнительной турбины 15.

На выходе из регенератора 4 может быть размещен утилизационный теплообменник 20 дополнительного теплового контура 21, а на выходе из компрессора 1, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода 22.

Дополнительный тепловой контур 21 может быть размещен в низкотемпературной секции 17 регенератора 4.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью компрессора 1 сжимают воздух, который на выходе из компрессора 1 разделяют на два потока, первый из которых направляют непосредственно в зону горения 10 камеры сгорания 2, а второй - в регенератор 4, после которого подают в зону смешения 8 камеры сгорания 2. Полученные в зоне горения 10 продукты сгорания смешивают в зоне смешения 8 с воздухом, поступившим из регенератора 4 для получения газов требуемой температуры, которые подают в турбину 3 и после расширения в ней подают в регенератор 4, а затем на выход в атмосферу.

В некоторых случаях при относительно низкой степени сжатия (π_к = 3...4) температура воздуха на выходе из компрессора может оказаться слишком низкой, неоптимальной для организации процесса горения, особенно при низкой окружающей температуре. В таком случае сжатый воздух, поступающий в зону горения камеры, может быть частично подогрет в регенераторе до уровня, соответствующего оптимальным условиям процесса горения (см. фиг. 2), или в зону горения может быть подмешан в небольших количествах подогретый воздух второго потока (см. фиг. 3).

В ГТУ, выполненных по указанным схемам, из-за того, что только часть воздуха подогревается в регенераторе, снижается степень возврата в цикл остаточного тепла выхлопных газов и повышается расход топлива по сравнению с традиционной регенеративной схемой.

Для устранения этого недостатка воздух, подогретый в регенераторе, также разделяют на два потока, первый из которых подают в зону смешения камеры сгорания, а второй - в дополнительную воздушную турбину 8 (см. фиг.4), где он совершает дополнительную полезную работу без подвода топлива. При этом увеличивается общая степень регенерации тепла и возрастает КПД установки.

Еще более повышается экономичность ГТУ за счет использования остаточного тепла воздуха, расширившегося в дополнительной турбине 8 (см. фиг. 5). Для этого размещенный на турбинном выхлопе регенератор 6 составлен из двух секций, последовательно расположенных по потоку выхлопных газов, высокотемпературной 9 и низкотемпературной 10, соединенных между собой смесителем 11, который сообщен воздуховодом с выходом дополнительной турбины 8.

Дополнительная воздушная турбина может быть кинематически связана с газовой турбиной (турбинами ν, или иметь кинематически независимый привод.

Во многих случаях от газотурбинной энергоустановки кроме электрической энергии требуется и тепловая, например для отопительных приборов или для генерации промышленного пара, причем потребность в тепловой энергии может превышать потребность в электроэнергии.

Для удовлетворения этих потребностей ТГУ может быть снабжена дополнительным утилизационным теплообменником 12 (см. фиг. 6) и управляемым распределительным устройством 13, позволяющим по потребности изменять расход холодного воздуха, подводимого в зону горения и, соответственно, изменять подачу топлива и температуру выхлопных газов на выходе из регенератора, а следовательно, и передачу тепла в дополнительном утилизационном теплообменнике при поддержании неизменной температуры газов на выходе из камеры сгорания.

Таким образом, при возрастании потребности в тепле, например, зимой, за счет увеличения по специальной программе распределительным устройством 13 расхода воздуха, подводимого в зону горения без регенеративного подогрева, увеличивается подача топлива в камеру сгорания и выход тепловой энергии. При снижении потребности в тепловой энергии, например, летом, в регенератор поступает максимальный расход воздуха и ГТУ работает при минимальном расходе топлива с минимальной температурой выхлопных газов на выходе из регенератора.

Для уменьшения габаритов и стоимости энергоустановки дополнительный тепловой контур может быть размещен в низкотемпературной секции 10 регенератора 6 (см. фиг. 7).

Формула изобретения

1. Способ уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине, а также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания, отличающийся тем, что воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5 ... 50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздух, направляемый непосредственно в зону горения камеры сгорания, частично регенеративно подогревают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону горения камеры сгорания подмешивают часть подогретого воздуха второго потока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть воздуха после максимального регенеративного подогрева направляют в дополнительную воздушную турбину.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после регенеративного подогрева сжатого воздуха производят утилизацию остаточного тепла выхлопных газов в дополнительном тепловом контуре и управляют расходом топлива и соотношением передачи тепла в регенераторе и дополнительном тепловом контуре путем перераспределения расходов между двумя потоками сжатого воздуха на выходе из компрессора.

6. Газотурбинная установка, включающая размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - с камерой сгорания, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор с зоной смешения камеры сгорания.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания.

9. Установка по пп.6 - 8, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной, турбины.

10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что дополнительная, воздушная, турбина кинематически связана с основной, газовой, турбиной.

11. Установка по пп.9 и 10, отличающаяся тем, что газовоздушный регенератор размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины.

12. Установка по пп.6 - 11, отличающаяся тем, что на выходе из регенератора размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода.

13. Установка по п. 12, отличающаяся тем, что дополнительный тепловой контур размещен в низкотемпературной секции регенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7