Способ работы газотурбинной установки и газотурбинная установка

 

Способ работы газотурбинной установки и газотурбинная установка относятся к энергомашиностроению. Способ работы, осуществляемый в частично объединенных газовых трактах с разнотемпературными выхлопными потоками и регенеративным подогревом сжатого рабочего тела остаточным теплом высокотемпературного выхлопного потока, включает в себя процессы сжатия газообразного рабочего тела в компрессорах, подогрева сжатого рабочего тела, например, сжиганием топлива в камерах сгорания, расширения подогретого рабочего тела в турбинах. Регенеративный подогрев всего рабочего тела или наибольшей его части производят в высокотемпературном выхлопном потоке после его расширения в турбинах, обеспечивая превышение расхода нагреваемого рабочего тела над расходом охлаждаемого высокотемпературного выхлопного потока. Разделяют газовый тракт после регенеративного подогрева или непосредственно после его сжатия. Один из газовых трактов включает нагреваемый контур теплообменника-регенератора и сообщен со входом в дополнительную турбину. Общий компрессор низкого давления и связанная с ним дополнительная турбина выделены в кинематический модуль. Такое осуществление изобретений приводит к повышению КПД. 2 с.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к способам работы и конструкции энергетических газотурбинных установок (ГТУ).

Известен способ работы ГТУ, включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела (например, воздуха) в компрессоре, подогрева сжатого рабочего тела (например, путем сжигания органического топлива в камере сгорания), расширения подогретого рабочего тела в турбине с получением избыточной мощности, передаваемой потребителю, и утилизации остаточного тепла расширившегося отработавшего рабочего тела для предварительного регенеративного подогрева сжатого рабочего тела перед основным подогревом в камере сгорания (см., например, Столярова С.Ф., Кузнецов А.Л., Тихомиров Б.А. "Целесообразные направления повышения экономичности ГТУ", "Теплоэнергетика", N 7, 1989 г., с. 68-71).

Известен также способ работу ГТУ, включающий утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела, выводимого по крайней мере двумя разнотемпературными потоками и подаваемого в греющий контур общей утилизацией системы, причем низкотемпературный поток подводят в промежуточную зону теплообмена, на подходе к которой температура высокотемпературного потока снижена в результате теплообмена до уровня низкотемпературного потока (см. заявку РФ N 93 009697/06 от 24.02.1993).

Недостатком указанного способа работы ГТУ является то, что в некоторых случаях, в частности, в одновальных схемах на режимах частичной мощности или в схемах с промежуточным охлаждением при сжатии и довольно высокой общей степенью сжатия, температура низкотемпературного выхлопного потока приближается к температуре сжатого рабочего тела, так что возможности использования остаточного тепла низкотемпературного потока резко снижаются и могут быть недостаточными даже для компенсации связанного с этим дополнительного гидравлического сопротивления, в результате чего подвод низкотемпературного выхлопного потока в общую утилизационную систему становится нецелесообразным.

Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности регенеративной ГТУ и упрощение ее конструкции.

Указанная цель достигается тем, что регенеративный подогрев сжатого рабочего тела в рабочем процессе, осуществляемом в раздельных или частично объединенных газовых трактах с разнотемпературными выхлопными потоками, производят в высокотемпературном выхлопном потоке, причем расход нагреваемого сжатого рабочего тела превышает расход отработавшего рабочего тела в высокотемперпатурном выхлопном потоке. При этом в некоторых случаях может быть не только упрощена конструкция ГТУ по сравнению с прототипом, но и несколько повышен ее КПД за счет снижения гидравлических потерь в низкотемпературном выхлопном потоке.

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 "существенные отличия".

Схемы ГТУ, реализующих указанный способ работы, представлены, например, на фиг. 1-5.

Рассмотрим схему ГТУ, представленную на фиг. 1.

ГТУ включает компрессоры низкого давления 1 и высокого давления 2, кинетически связанные с турбинами высокого давления 3 и низкого давления 4, дополнительной турбиной 5 и потребителем мощности 6. В проточной части между компрессорами 1 и 2 размещен теплообменник-охладитель 7, а перед турбинами 3, 4 и 5 размещены камеры сгорания 8, 9 и 10; на выходе из турбины 4 размещен теплообменник-регенератор 11, сообщенный по входу нагреваемого контура с выходом из компрессора 2, а по выходу нагреваемого контура - со входом в камеры сгорания 8 и 10.

Работа ГТУ осуществляется следующим образом. Компрессор низкого давления 1 засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и через теплообменник 7, после промежуточного охлаждения, подает на вход в компрессор высокого давления 2, где воздух дополнительно сжимается и подается в нагреваемый контур теплообменника-регенератора 11. Получив в регенераторе 11 предварительный подогрев путем теплообмена с высокотемпературными выхлопными газами турбины 4, сжатый воздух разделяется на два потока, первый из которых направляется для основного подогрева в камеру сгорания 8, затем в турбину 3, после расширения в которой дополнительно подогревается в камере сгорания 9, окончательно расширяется в турбине 4 и поступает в греющий контур регенератора 11, где отдает тепло нагреваемому сжатому воздуху, а затем выводится в атмосферу или во вторую ступень утилизации, например, отопительную (на схеме не показано). Второй поток направляется в камеру сгорания 10. затем в дополнительную турбину 5, после которой выхлопные газы выводятся в атмосферу или во вторую ступень утилизации тепла, например, для отопления (на схеме не показано).

Разделение газового тракта может быть произведено после частичного сжатия, например, за компрессором низкого давления, как показано на фиг. 2.

Особенностью предлагаемых технических решений является то, что максимум КПД ГТУ достигается на режиме с отключенной камерой сгорания 10, когда подогрев воздуха во втором тракте осуществляется только за счет регенеративного теплообмена и мощность ГТУ ниже максимальной. Это - существенное отличие от ГТУ традиционных схем, в которых максимум КПД соответствует максимуму мощности. На практике большую часть ресурса работы ГТУ занимают режимы частичной мощности с пониженными значениями КПД. Таким образом, выполнение ГТУ по предлагаемым схемам позволяет реализовать максимальный КПД на режимах более употребимых и получить дополнительную экономию топлива. Исключение из схемы ГТУ камеры сгорания 10 позволяет несколько повысить максимально достижимое значение КПД на режиме максимальной мощности за счет снижения гидравлических потерь, но исключает описанный выше эффект повышения КПД на режимах частичной мощности.

Значение частичной мощности, при котором достигается максимум КПД в предлагаемых схемах ГТУ, тем ниже (и, соответственно, шире диапазон изменения мощности при высоком уровне КПД), чем большая относительная доля расхода воздуха подается в тракт камеры сгорания 5. Если эта доля достаточно велика, например, более половины общего расхода воздуха, то в генераторе целесообразно подогревать только этот расход, как показано на фиг. 2, 4, 5.

Дальнейшее расширение диапазона рабочих режимов с высокими значениями КПД, близкими к максимуму, и возможностей выбора режима частичной мощности с максимумом КПД дает размещение компрессора низкого давления и дополнительной турбины 5 на отдельном роторе, не связанном кинематически с компрессором высокого давления и потребителем мощности 6, как показано на фиг. 3, 4, 5.

Термодинамически может быть более эффективно производить разделение воздушного потока при автономном приводе компрессора низкого давления 1 дополнительной турбиной 5 на уровне давления, превышающем давление воздуха на выходе из компрессора низкого давления, как показано на фиг. 5.

Реализация предложенных технических решений позволит создать ряд высокоэффективных энергоустановок различной размерности и назначения при использовании существующих освоенных материалов, технологий и конструктивных достижений.

Формула изобретения

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела в компрессорах, подогрева сжатого рабочего тела (например, сжиганием топлива в камерах сгорания), расширения подогретого рабочего тела в турбинах, осуществляемый в частично объединенных газовых трактах с разнотемпературными выхлопными потоками и регенеративным подогревом сжатого рабочего тела остаточным теплом высокотемпературного выхлопного потока, отличающийся тем, что регенеративный подогрев всего рабочего тела или наибольшей его части производят в высокотемпературном выхлопном потоке после его расширения в турбинах, обеспечивая превышение расхода нагреваемого сжатого рабочего тела над расходом охлаждаемого высокотемпературного выхлопного потока, причем разделяют газовый тракт после регенеративного подогрева рабочего тела или непосредственно после его сжатия.

2. Газотурбинная установка, содержащая по крайней мере два частично объединенных газовых такта, включающие компрессоры, камеры подогрева (сгорания), турбины с разнотемпературными выхлопными трактами и теплообменник-регенератор, греющий контур которого включен в высокотемпературный выхлопной тракт, отличающаяся тем, что общий компрессор низкого давления и связанная с ним дополнительная турбина выделены в кинематически автономный модуль, общий газовый тракт разделен на два тракта на выходе из компрессора (низкого, среднего или высокого давления), причем один из этих газовых трактов включает нагреваемый контур теплообменника-регенератора и сообщен со входом в дополнительную турбину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5