Способ преобразования тепловой энергии в механическую и газопаротурбинная установка для его реализации

 

Изобретение относится к области энергетики. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, включающий процессы сжатия воздуха с последующим разделением его на первичный и вторичный, подачу первичного воздуха и топлива в первичную зону камеры сгорания на горение с образованием продуктов сгорания, которые смешиваются с паровоздушной смесью с образованием парогазовой смеси, с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую. Теплоту отработавшей газопаровой смеси (отработавших газов) утилизируют в котле-утилизаторе с образованием перегретого пара с подачей его во вторичную зону камеры сгорания и насыщенной воды. Дополнительно охлаждают отработавшие газы с конденсацией водяных паров, подают конденсат в котел-утилизатор и насыщенную воду в тепломассообменник, которую после частичного испарения и охлаждения отводят из тепломассообменника и смешивают с конденсатом. В качестве топлива используют топливный газ, который подводят через систему регулирования подачи топливного газа к тепломассообменнику, выход которого подключен к первичной зоне камеры сгорания. Изобретение позволяет глубоко утилизировать теплоту отработавших газов, повысить экономичность и мощность установки, а также уменьшить тепловое и токсичное воздействие на окружающую среду. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике, и в частности к газопаротурбинным установкам, и может быть использовано при проектировании новых и модернизации действующих газопаротурбинных установок.

В качестве аналога принят способ преобразования тепловой энергии в механическую, включающий процессы: сжатия воздуха, сжигания углеводородного топлива, смешение полученных продуктов сгорания с водяным паром, преобразования в работу потенциальной энергии газопаровой смеси при ее расширении утилизации теплоты отработавших газов при их охлаждении с образованием перегретого водяного пара, дополнительного охлаждения отработавших газов с конденсацией из них водяных паров, подачи полученного конденсата в котел-утилизатор (см. патент Украины 151570).

Известный способ имеет недостаток, который состоит в том, что отработавшие газы после утилизации их теплоты в котле-утилизаторе имеют высокую температуру (не ниже 160-170^oС), что существенно снижает экономичность газопаротурбинной установки и одновременно существенно затрудняет процесс конденсации водяных паров из отработавших газов.

В качестве прототипа принят способ работы энергетической установки, включающий сжатие воздуха с последующим разделением его на первичный и вторичный, подачу первичного воздуха и топлива в первичную зону камеры сгорания на горение с образованием продуктов сгорания, подачу перегретого пара во вторичную зону камеры сгорания, смешение паровоздушной смеси с продуктами сгорания с образованием парогазовой смеси с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую, утилизации теплоты отработавшей газопаровой смеси (отработавших газов) в котле-утилизаторе с образованием перегретого пара с подачей его во вторичную зону камеры сгорания и насыщенной воды дополнительного охлаждения отработавших газов с конденсацией водяных паров, подачи конденсата в котел-утилизатор и подачи насыщенной воды в тепломассообменник, которую после частичного испарения и охлаждения в потоке воздуха отобранного за компрессором отводят из тепломассообменника и смешивают с конденсатом, а полученный увлажненный воздух (воздушно-паровую смесь) подают во вторичную зону камеры сгорания (см. SU 1830421 А1, F 01 К 21/04, 30.07.1993).

В качестве прототипа принята газопаротурбинная установка, содержащая воздушный компрессор с камерой сгорания, содержащей первичную зону с подводом топливного газа и вторичную зону и с газопаровой турбиной, связанной с потребителем механической энергии, и последовательно расположенные по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор с барабаном-сепаратором и конденсатор, который своим выходом по конденсату через деаэратор и насос подключен к входу котла-утилизатора, а также тепломассообменник, который своим входом по воде подключен к барабану-сепаратору, а выходом по воде к деаэратору (см. SU 1830421 А1, F 01 К 21/04, 30.07.1993).

Известный способ обладает следующими недостатками: - при смешении сжатого воздуха с насыщенной водой он существенно охлаждается (примерно с 500^oС до 220-240^oС), что, несмотря на подогрев его в составе паровоздушной смеси отработавшими газами, требует дополнительной затраты топлива на его нагревание в камере сгорания; - вследствие уменьшенного перегрева пара в котле-утилизаторе из-за передачи части теплоты отработавшими газами паровоздушной смеси снижается экономичность газопаротурбинной установки; - из-за малой разницы в давлениях между полостями за компрессором и в камере сгорания требуется дополнительное сжатие отбираемого сжатого воздуха для проталкивания его через тепломассообменник и подогреватель паровоздушной смеси, что требует дополнительной затраты работы и тем самым ухудшает экономические и мощностные показатели газопаротубинной установки.

В изобретении решается задача создания способа преобразования тепловой энергии в механическую путем углубления утилизации теплоты отработавших газов при непосредственном контакте насыщенной воды и топливного газа, что повышает экономичность и мощность газопаротурбинной установки и снижает тепловое и токсичное воздействие ее на окружающую среду.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую, включающий процессы сжатия воздуха с последующим разделением его на первичный и вторичный, подачу первичного воздуха и топлива в первичную зону камеры сгорания на горение с образованием продуктов сгорания, которые смешиваются с паровоздушной смесью с образованием парогазовой смеси с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую, утилизации теплоты отработавшей газопаровой смеси (отработавших газов) в котле-утилизаторе с образованием перегретого пара с подачей его во вторичную зону камеры сгорания и насыщенной воды, дополнительного охлаждения отработавших газов с конденсацией водяных паров, подачи конденсата в котел-утилизатор и подачи насыщенной воды в тепломассообменник, которую после частичного испарения и охлаждения отводят из тепломассообменника и смешивают с конденсатом, согласно изобретению в качестве топлива используют топливный газ, который перед подачей в камеру сгорания вводят в контакт с насыщенной водой, нагревают и увлажняют водяным паром, образуемым за счет частичного испарения воды, а вторичный воздух смешивают с перегретым паром с образованием паровоздушной смеси.

Поставленная задача решается тем, что газопаротурбинная установка, содержащая воздушный компрессор с камерой сгорания, содержащей первичную зону с подводом топливного газа и вторичную зону и с газопаровой турбиной, связанной с потребителем механической энергии, и последовательно расположенные по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор с барабаном-сепаратором и конденсатор, который своим выходом по конденсату через деаэратор и насос подключен к входу котла-утилизатора, а также тепломассообменник, который своим входом по воде подключен к барабану-сепаратору, а выходом по воде к деаэратору, согласно изобретению в качестве топлива используют топливный газ, который подводят через систему регулирования подачи топлива газа к тепломассообменнику, выход которого подключен к первичной зоне камеры сгорания.

Новая совокупность существенных признаков отсутствует в известных технических решениях и позволяет получить следующие преимущества.

1. Вследствие того, что газовая постоянная топливного газа по сравнению с воздухом выше более чем в 1,7 раза, удается существенно снизить температуру охлажденной воды на выходе из тепломассообменника при одинаковом расходе через него газовой среды. Это существенно углубляет утилизацию теплоты отработавших газов и тем самым увеличивает кпд и мощность газопаротурбинной установки.

2. Вследствие нагрева топливного газа (примерно до 180-220^oС) при контакте с насыщенной водой в тепломассообменнике существенно снижаются затраты топлива в камере сгорания, что дополнительно повышает кпд газопаротурбинной установки.

3. Известно, что подача пара, как инертного газа, в зону горения (первичную зону), особенно если он заранее перемешан с топливным газом, в десятки и даже сотни раз эффективнее воздействует на уменьшение образования оксидов азота по сравнению с подачей его во вторичную зону. Поэтому смешение пара с топливным газом в тепломассообменнике одновременно решает и экологическую проблему.

На чертеже изображена тепловая схема газопаротурбинной установки, реализующая предложенный способ.

Газопаротурбинная установка содержит воздушный компрессор 1, камеру сгорания 2 с первичной и вторичной зонами, газопаровую турбину 3, связанную с потребителем механической энергии 4 и последовательно расположенные по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор 5 с барабаном-сепаратором 6 и конденсатор 7, который своим выходом по воде через деаэратор 8 и насос 9 подключен к входу котла-утилизатора 5. Газопаротурбинная установка также содержит тепломассообменник 10, который своим входом по воде подключен к барабану-сепаратору 6 котла-утилизатора 5, а выходом - к деаэратору 8 и далее через насос 9 к входу котла-утилизатора 5. Одновременно тепломассообменник 10 своим входом по газу подключен к системе регулирования 11 подачи топливного газа в газопаротурбинную установку, а своим выходом по газопаровой смеси подключен к первичной зоне камеры сгорания 2.

Способ совершается газопаротурбинной установкой следующим образом.

Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и разделяется на два потока: первичный и вторичный, которые направляются в камеру сгорания 2 соответственно в ее первичную и вторичную зоны. Одновременно во вторичную зону камеры сгорания 2 подают пар из котла-утилизатора 5 и смешивают с вторичным воздухом, а образованную паровоздушную смесь смешивают с продуктами сгорания, полученными в первичной зоне. Полученную парогазовую смесь направляют в газопаровую турбину, где ее расширяют, преобразуя при этом ее тепловую энергию в механическую, которую передают потребителю 4. Отработавшую в газопаровой турбине 3 газопаровую смесь (отработавшие газы) направляют в котел-утилизатор 5, где при охлаждении утилизируют их теплоту с образованием перегретого пара и насыщенной воды. После котла-утилизатора 5 отработавшие газы направляют в конденсатор 7, где их дополнительно охлаждают с конденсацией водяного пара. Образовавшийся при этом конденсат направляют в деаэратор 8 и далее через насос 9 в котел-утилизатор 5, а осушенные отработавшие газы - в атмосферу. Одновременно при этом насыщенную воду из барабана-сепаратора 6 подают в тепломассообменник 10, где вводят ее в контакт с топливным газом, при этом его нагревают и увлажняют водяным паром, за счет частичного испарения и охлаждения воды. Нагретый и увлажненный топливный газ подают в камеру сгорания 2, где в ее первичной зоне смешивают с первичным воздухом и сжигают, а охлажденную в массообменнике 10 воду подают в деаэратор 8, а далее через насос 9 - в котел-утилизатор 5.

В сравнении с прототипом предлагаемый способ преобразования тепловой энергии в механическую существенно улучшает экономические, экологические и мощностные показатели газопаротурбинной установки, которая его реализует.

Опытами установлено, что по сравнению с прототипом она имеет повышенный кпд на 3,5% абсолютных, а мощность на 28%. При этом содержание оксидов азота в отработавших газах не превышает 35-38 мг/м³ отработавших газов, что в 2,5 раза ниже мировых норм.

Кроме изложенного, следует также отметить, что повышение мощности газопаротурбинной установки на 28% примерно на столько же уменьшает стоимость ее киловатта установленной мощности.

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, включающий процессы сжатия воздуха с последующим разделением его на первичный и вторичный, подачу первичного воздуха и топлива в первичную зону камеры сгорания на горение с образованием продуктов сгорания, которые смешиваются с паровоздушной смесью с образованием парогазовой смеси с преобразованием ее потенциальной энергии в механическую, утилизации теплоты отработавшей газопаровой смеси (отработавших газов) в котле-утилизаторе с образованием перегретого пара с подачей его во вторичную зону камеры сгорания и насыщенной воды, дополнительного охлаждения отработавших газов с конденсацией водяных паров, подачи конденсата в котел-утилизатор и подачи насыщенной воды в тепломассообменник, которую после частичного испарения и охлаждения отводят из тепломассообменника и смешивают с конденсатом, отличающийся тем, что в качестве топлива используют топливный газ, который перед подачей в камеру сгорания вводят в контакт с насыщенной водой, нагревают и увлажняют водяным паром, образуемым за счет частичного испарения воды, а вторичный воздух смешивают с перегретым паром с образованием паровоздушной смеси.

2. Газопаротурбинная установка, содержащая воздушный компрессор с камерой сгорания, содержащей первичную зону с подводом топливного газа и вторичную зону, и с газопаровой турбиной, связанной с потребителем механической энергии, и последовательно расположенные по направлению движения отработавших газов котел-утилизатор с барабаном-сепаратором и конденсатор, который своим выходом по конденсату через деаэратор и насос подключен к входу котла-утилизатора, а также тепломассообменник, который своим входом по воде подключен к барабану-сепаратору, а выходом по воде к деаэратору, отличающаяся тем, что в качестве топлива используют топливный газ, который подводят через систему регулирования подачи топливного газа к тепломассообменнику, выход которого подключен к первичной зоне камеры сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1