Способ получения энергии в парогазовой энергетической установке

Изобретение относится к области газотурбостроения. В парогазовой энергетической установке после расширения пара в паровой турбине его часть с массовым расходом, составляющим 10÷300% от величины массового расхода топлива в камере сгорания, подают непосредственно в первичную зону этой камеры, а оставшуюся часть дополнительно перегревают с использованием тепловой энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела и используют для подачи в камеру дожигания. Изобретение позволяет обеспечить повышение удельной мощности и термодинамической эффективности способа за счет увеличения загрузки силовой турбины, а также расширение областей устойчивой работы камер сгорания при одновременном снижении вредных выбросов в атмосферу. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области газотурбостроения, в частности к способам получения тепловой и электрической энергии в энергетических, теплофикационных или комбинированных по назначению газотурбинных установках, и может быть использовано в установках с когенерационными парогазовыми циклами.

Известен способ получения энергии в парогазовой энергетической установке, включающий сжатие воздуха, его подогрев сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела (продуктов сгорания) в турбине, подогрев рабочего тела в камере дожигания, использование тепловой энергии рабочего тела для генерирования пара в котле с последующим выбросом рабочего тела в атмосферу, расширение пара в свободной силовой турбине, конденсирование пара с последующим использованием водного конденсата для генерирования пара, использование механической энергии вращения свободной силовой турбины для производства электрической энергии (см. патент РФ №2084644, кл. F01K 23/10, оп. 20.07.97 г.).

Недостатками известного способа являются низкие удельная мощность и термодинамическая эффективность, а также низкий коэффициент использования тепла топлива в сочетании со значительной величиной вредных выбросов в атмосферу. Низкая удельная мощность в отношении расхода воздуха обусловлена в известном способе относительно низкими параметрами цикла Брайтона (небольшие величины теплоемкости и газовой постоянной рабочего тела при больших затратах работы сжатия данного тела в компрессоре) и цикла Ренкина (низкая температура рабочего тела перед турбиной). Низкая термодинамическая эффективность известного способа проистекает из следующих противоречий. Использование промежуточного охлаждения с регенерацией тепла в воду за экономайзером утилизационного котла предполагает высокую температуру воздуха в промежуточных ступенях компрессора, что характерно для компрессоров с высокой степенью сжатия. Парогазовые установки с большой степенью сжатия с точки зрения кпд неэффективны. Кроме того, при определенной паропроизводительности котла уменьшение количества холодной воды, прокачиваемой через экономайзер, при подключении к котлу воздушного охладителя-регенератора повышает температуру выхлопных газов.

Наиболее близким к заявленному является способ получения энергии в парогазовой энергетической установке, включающий всасывание из атмосферы и сжатие воздуха (рабочего тела), его подогрев сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела (продуктов сгорания топлива) в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для всасывания и сжатия атмосферного воздуха, подогрев рабочего тела за турбиной газогенератора в камере дожигания, расширение подогретого рабочего тела в свободной силовой турбине, использование тепловой энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела для генерирования пара и производства электроэнергии, последующее расширение полученного пара в паровой турбине, подачу пара в камеру дожигания, охлаждение рабочего тела с извлечением из него водного конденсата, сжатие осушенного рабочего тела и выброс его в атмосферу, использование извлеченного водного конденсата при генерировании пара, (см. патент РФ №2259486, кл. F01K 23/10, оп. 27.08.2005 г.).

Недостатками известного способа являются низкие удельная мощность и термодинамическая эффективность. Низкая удельная мощность известного способа обусловлена тем, что в газовом цикле Брайтона участвует небольшое количество регенерируемого пара. Низкая термодинамическая эффективность известного способа обусловлена низкой температурой пара, генерируемого котлом. Вследствие небольшого количества пара, впрыскиваемого в камеру дожигания, невозможно обеспечить существенную разницу в количестве рабочего тела, расширяющегося в свободной турбине, и рабочего тела, сжимаемого в дымососе. Известный способ характеризуется также избыточной сложностью средств его реализации, в частности неоправданностью дублирования котлов с суммарной производительностью пара, превышающей требуемый расход пара исходной паровой турбины.

Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, - повышение удельной мощности и термодинамической эффективности способа за счет увеличения загрузки силовой турбины, а также расширение областей устойчивой работы камер сгорания при одновременном снижении вредных выбросов в атмосферу.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения энергии в парогазовой энергетической установке, включающем всасывание из атмосферы и сжатие воздуха (рабочего тела), его подогрев сжиганием топлива в камере сгорания, расширение полученного подогретого рабочего тела (продуктов сгорания топлива) в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для всасывания и сжатия упомянутого атмосферного воздуха, подогрев рабочего тела за турбиной газогенератора в камере дожигания, расширение подогретого рабочего тела в свободной силовой турбине, использование энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела для генерирования пара и производства электроэнергии, последующее расширение полученного пара в паровой турбине, подачу пара в камеру дожигания, охлаждение рабочего тела с извлечением из него водного конденсата, сжатие осушенного рабочего тела и выброс его в атмосферу, использование извлеченного водного конденсата при генерировании пара, после расширения пара в паровой турбине его часть с массовым расходом, составляющим 10÷300% от величины массового расхода топлива в камере сгорания, подают непосредственно в первичную зону этой камеры, а оставшуюся часть дополнительно перегревают с использованием тепловой энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела и используют для подачи в камеру дожигания.

Указанный результат достигается также тем, что пар, подаваемый в камеру дожигания, направляют в первичную зону и/или за первичную зону камеры.

Указанный результат достигается также тем, что пар за первичную зону камеры дожигания подают через отверстия первичной зоны жаровой трубы.

Указанный результат достигается также тем, что при подаче пара в первичную зону камеры дожигания его подают с массовым расходом, составляющим 20÷100% от величины массового расхода топлива в этой камере.

Указанный результат достигается также тем, что при подаче пара за первичную зону камеры дожигания его подают с массовым расходом, не менее чем на 10% превышающим по величине массовый расход топлива в этой камере.

Указанный результат достигается также тем, что температура пара, подаваемого в камеру дожигания, превышает температуру пара, подаваемого в камеру сгорания, не менее чем на 50°С.

Указанный результат достигается также тем, что энергию конденсации пара используют для теплофикации.

На чертеже показана схема парогазовой энергетической установки, работающей в соответствии с заявленным способом.

Парогазовая энергетическая установка, работающая в соответствии с заявленным способом, содержит сообщенный своим входом с атмосферой компрессор 1, связанный валом (на фиг.1 все валы описываемой установки обозначены двойными линиями) с турбиной 2 газогенератора. Выход компрессора 1 через камеру 3 сгорания сообщен со входом турбины 2 газогенератора, выход которой через камеру 4 дожигания и свободную силовую турбину 5 сообщен с утилизационным котлом 6. Выход утилизационного котла 6 по рабочему телу через охладитель-конденсатор 7 сообщен с компрессором 8 выхлопного газа, выходом связанным с атмосферой. Выход охладителя-конденсатора 7 по конденсату (по воде) через питательный насос 9 сообщен со входом по воде испарителя-экономайзера 10 утилизационного котла 6. Выход испарителя-экономайзера 10 связан со входом паровой турбины 11, выход которой сообщен со входом 12 по пару камеры сгорания 3 и входом пароперегревателя 13 утилизационного котла 6. Выход пароперегревателя сообщен со входом 14 (по пару) в первичную зону (называемую также зоной горения) камеры дожигания и входом 15 (по пару) за первичную зону камеры 4 дожигания. Вход 15 может быть реализован в виде ввода как непосредственно через стенку жаровой трубы, так и в виде ввода через отверстия первичной зоны жаровой трубы (называемые также отверстиями разбавления).

Камера 3 сгорания и камера 4 дожигания снабжены входами 16 по топливу. Охладитель-конденсатор 7 снабжен трубопроводами 17 для подключения к системе теплоснабжения. На валу силовой турбины 5 установлен электрогенератор 18. Компрессор 8 выхлопного газа и паровая турбина 11 могут быть установлены либо на одном валу с силовой турбиной 5 и электрогенератором 18 (как показано на фиг.1), либо на отдельном валу, присоединенном к самостоятельному электрогенератору (такая форма выполнения на чертежах не показана).

Заявленный способ получения энергии в парогазовой энергетической установке осуществляется следующим образом.

При работе парогазовой энергетической установки атмосферный воздух (исходное рабочее тело) всасывают и сжимают компрессором 1 газогенератора до давления, необходимого для работы камеры 3 сгорания. Сжатый в компрессоре 1 газогенератора воздух (сжатое рабочее тело) с выхода указанного компрессора направляют в камеру 3 сгорания. В камере 3 сгорания температура воздуха повышается за счет сжигания топлива, поступающего на вход 16. Горячие газы (продукты сгорания) в первичной зоне камеры 3 сгорания смешиваются с паром, поступающим по входу 12 с выхода паровой турбины 11. Парогазовую смесь (подогретое рабочее тело) с небольшим содержанием пара из камеры 3 сгорания подают на вход в турбину 2 газогенератора, которая приводит во вращение компрессор 1 газогенератора. Таким образом, осуществляют расширение подогретого рабочего тела (парогазовой смеси, включающей продукты сгорания топлива и пар) в турбине 2 газогенератора с использованием полученной механической энергии для всасывания из атмосферы и сжатия атмосферного воздуха в компрессоре 1. После частичного охлаждения в турбине 2 газогенератора парогазовую смесь (частично охлажденное рабочее тело) с выхода турбины 2 газогенератора подают в камеру 4 дожигания, где осуществляют ее подогрев. В камере 4 дожигания температура парогазовой смеси повышается за счет сжигания топлива, поступающего на вход 16. Горячая парогазовая смесь в камере 4 дожигания в первичной зоне и/или за первичной зоной смешивается с паром, поступающим по входам 14 и 15 соответственно с выхода пароперегревателя 13 утилизационного котла 6. Подогретое в камере 4 дожигания рабочее тело (парогазовую смесь) с большим содержанием пара подают на вход свободной силовой турбины 5, энергию вращения которой используют для производства электроэнергии путем привода во вращение электрогенератора 18. Частично охлажденную в свободной силовой турбине 5 парогазовую смесь с выхода силовой турбины 5 подают на вход утилизационного котла 6, где, продолжая охлаждаться, она отдает свою тепловую энергию пароперегревателю 13 для подогрева пара и испарителю-экономайзеру 10 для генерирования пара. Охлажденная в утилизационном котле 6 парогазовая смесь с выхода котла 6 попадает на вход охладителя-конденсатора 7, где производят ее доохлаждение до температуры, обеспечивающей конденсацию пара (извлечение из пара водного конденсата) в количестве, равном количеству привнесенного пара в газогенератор и камеру 4 дожигания. Отбираемое от парогазовой смеси тепло в охладителе-конденсаторе 7 передают оборотной воде, направляемой по трубопроводу 17 в систему теплоснабжения, т.е. энергию конденсации пара используют для теплофикации.

Холодный выхлопной газ с выхода по газовой стороне охладителя-конденсатора 7 подают на вход в компрессор 8 выхлопного газа. В компрессоре 8 осуществляют сжатие выхлопного газа до давления, близкого к атмосферному, и с выхода компрессора 8 его выбрасывают в атмосферу. Конденсат с выхода по конденсату охладителя-конденсатора 7 с помощью питательного насоса 9 подают на вход в испаритель-экономайзер 10 котла 6, где осуществляют генерирование пара. Пар расширяют в паровой турбине 11, которая приводит во вращение компрессор 8 выхлопного газа, а также для производства электроэнергии передает вращающий момент электрогенератору 18 (установленному на валу силовой турбины 5) или дополнительному электрогенератору (не показан) в том случае, если свободная силовая турбина 5 с электрогенератором 18 установлены на одном валу, а паровая турбина 11 с компрессором 8 выхлопного газа установлены на другом (отдельном) валу. С выхода паровой турбины 11 пар направляют непосредственно в первичную зону камеры 3 сгорания, а также через пароперегреватель 13 утилизационного котла 6 в первичную зону и/или за первичную зону камеры 4 дожигания. Пар, подаваемый в камеру 4 дожигания, перегревают по сравнению с паром, подаваемым в камеру 3 сгорания, не менее чем на 50°С. При подаче пара за первичную зону камеры 4 дожигания (например, через отверстия первичной зоны жаровой трубы) его подают с массовым расходом, не менее чем на 10% превышающим по величине массовый расход топлива в этой камере. При этом массовый расход пара, подаваемого в первичные зоны камеры 3 сгорания и камеры 4 дожигания, составляющий 10÷300% и 20÷100% от величин массового расхода топлива в соответствующей камере, обеспечивает снижение вредных выбросов окислов азота до требуемого уровня. При регенерации паром тепла с выхлопа газотурбинной установки (выход турбины 5) в камеру 4 дожигания и повышении его температуры перед свободной силовой турбиной 5 обеспечивается повышение удельной мощности двигателя. При оптимизации параметров повышение мощности двигателя без снижения эффективности парогазовой установки обеспечивается также работой компрессора 8 выхлопного газа. При фиксированной температуре парогазовой смеси перед свободной силовой турбиной 5 и приблизительно равных кпд свободной силовой турбины 5 и компрессора 8 выхлопного газа разница произведенной работы парогазовой смеси в свободной силовой турбине 5 и затрат на сжатие выхлопного газа в компрессоре 8 будет зависеть от температуры выхлопного газа перед компрессором 8 и количества конденсата, получаемого в конденсаторе 7. При этом необходимо учесть, что в компрессоре 8 выхлопного газа производится работа над выхлопным газом, охлажденным в охладителе-конденсаторе 7.

1. Способ получения энергии в парогазовой энергетической установке, включающий сжатие воздуха, его подогрев сжиганием топлива в камере сгорания, расширение подогретого рабочего тела в турбине газогенератора с использованием полученной механической энергии для сжатия воздуха, подогрев рабочего тела в камере дожигания, расширение подогретого рабочего тела в свободной силовой турбине, использование энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела для генерирования пара и производства электроэнергии, последующее расширение полученного пара в паровой турбине, подачу пара в камеру дожигания, охлаждение рабочего тела с извлечением из него водного конденсата, сжатие осушенного рабочего тела и выброс его в атмосферу, использование извлеченного водного конденсата при генерировании пара, отличающийся тем, что после расширения пара в паровой турбине его часть с массовым расходом, составляющим 10-300% от величины массового расхода топлива в камере сгорания, подают непосредственно в первичную зону этой камеры, а оставшуюся часть дополнительно перегревают с использованием тепловой энергии расширенного в свободной силовой турбине рабочего тела и используют для подачи в камеру дожигания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар, подаваемый в камеру дожигания, направляют в первичную зону и/или за первичную зону камеры.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что пар за первичную зону камеры дожигания подают через отверстия первичной зоны жаровой трубы.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при подаче пара в первичную зону камеры дожигания его подают с массовым расходом, составляющим 20-100% от величины массового расхода топлива в этой камере.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что при подаче пара за первичную зону камеры дожигания его подают с массовым расходом, не менее чем на 10%, превышающим по величине массовый расход топлива в этой камере.

6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что температура пара, подаваемого в камеру дожигания, превышает температуру пара, подаваемого в камеру сгорания, не менее чем на 50 С°.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию конденсации пара используют для теплофикации.