Способ работы газотурбинной установки


 


Владельцы патента RU 2467187:

ООО "Центр КОРТЭС" (RU)

Изобретение относится к газотурбинной технологии, используемой для получения работы и генерации электроэнергии или в качестве привода транспортных средств или компрессорных станций магистральных газопроводов. Способ работы газотурбинной установки включает подачу в камеру сгорания сжатых воздуха и метансодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов их сгорания в газовой турбине, охлаждение продуктов сгорания путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, направляемого в газотурбинную установку. Природный газ последовательно смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают в первом теплообменнике продуктами сгорания метансодержащей парогазовой смеси, пропускают через каталитический реактор с образованием метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают во втором теплообменнике, пропускают через второй каталитический реактор и подают в камеру сгорания. Изобретение направлено на снижение затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличение надежности установки, упрощение ее конструкции и условий эксплуатации. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к газотурбинной технологии, используемой для получения работы и генерации электроэнергии или в качестве привода транспортных средств или компрессорных станций магистральных газопроводов. Способ может быть использован в газотурбинных установках энергетического и транспортного назначения.

Использование природного газа в качестве газотурбинного топлива привело к развитию технологий повышения эффективности газотурбинных установок за счет их комбинирования с паровыми турбинами и способов сжигания природного газа в смеси с водяным паром.

В частности, известен способ повышения КПД, маневренности и надежности парогазовой установки, включающей впрыск воды в проточную часть компрессора, утилизацию тепла отработавших газов газовой турбины в котле-утилизаторе, конденсации водяного пара из рабочего тела ГТУ в контактном конденсаторе, отличающийся тем, что топливо сжигается в камере сгорания с избытком воздуха 1,05-1,1, температура рабочего тела на входе в газовую турбину регулируется подачей пара из котла в камеру сгорания в зону законченного горения из котла утилизатора и регенеративного отбора паротурбинной установки энергоблока, совместно работающего с газовой турбиной в парогазовой установке, или парогенератора, включенного в тепловую схему парогазотурбинной установки при ее автономной работе /заявка на изобретение RU №2005102152, дата публ. 10.07.2006/. К недостаткам данного способа следует отнести сложность схемы и высокие капитальные затраты, связанные с совместной установкой паровой и газовой турбин.

Известен также способ работы газотурбинной установки с комплексной системой глубокой утилизации теплоты и снижения вредных выбросов в атмосферу, включающий сжатие воздуха в компрессоре и его подачу в камеру сгорания, сжигание топлива в этой камере при низком коэффициенте избытка воздуха, расширение продуктов сгорания в газовой турбине, дожигание несгоревшего топлива за турбиной, впрыск воды в компрессор и в камеру сгорания, отличающийся тем, что сжигают газовое топливо в камере сгорания при снижении коэффициента избытка воздуха в зоне горения до 1,02÷1,05, а жидкое топливо при его уменьшении до 1,05÷1,10, при этом коэффициент избытка воздуха регулируют путем изменения количества подаваемого воздуха и измерения содержания кислорода в продуктах сгорания /заявка на изобретение RU №2000131473, дата публ. 20.01.2003/. Недостатком данного способа является низкий прирост эффективности в связи с работой на низких значениях коэффициента избытка воздуха и снижении расхода рабочего тела в проточной части газовой турбины.

Принципиально другим способом работа комбинированной газопаротурбинной установки с подачей пара непосредственно в камеру сгорания газовой турбины, объединяющая положительные свойства способов (низкие энергозатраты на сжатие и высокая энергоемкость рабочего тела) и высокую температуру рабочего тела на входе в турбину и компактность. В таком способе работы по известному циклу STIG (Steam Injection Gas turbine), весь пар, вырабатываемый в утилизационном теплообменнике, подается в камеру сгорания газотурбинной установки, а затем образовавшаяся парогазовая смесь расширяется в газовой турбине и, пройдя утилизационный теплообменник, выбрасывается в атмосферу.

Впрыск пара в проточную часть турбины позволяет увеличить мощность двигателя на 60…70% и КПД - примерно на 25% (отн.) без увеличения температуры газа перед турбиной. Недостатком цикла STIG является полная потеря цикловой воды.

Предложен способ работы газопаротурбинной установки с генерацией воды в цикле, существенным отличием которого является то, что для исключения потерь цикловой воды способ включает контактную конденсацию-газоохлаждение, проводимую на выхлопном патрубке котла-утилизатора. Отработавшую в турбине парогазовую смесь после прохождения котла-утилизатора подают в контактный конденсатор-газоохладитель, где охлаждают до точки росы, а пар высаживают в виде воды и насосом возвращают для дальнейшего использования в цикле. Отказ от применения паровой турбины в таких установках позволяет удешевить и упростить установку в целом, а высокие экономические показатели делают ее конкурентоспособной с дизельными энергетическими установками /Вiсник СевДТУ. Вип.87: Механiка, енергетика, екологiя: зб. наук. пр. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2008.58/. Недостатком способа является недостаточно высокий эксергетический КПД использования топлива в установке в связи с потерей температурного напора при утилизации тепла.

Задача настоящего изобретения - создать способ работы газотурбинной установки нового типа, в котором устранены указанные выше недостатки, и создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности газотурбинной установки, упрощения ее конструкции и условий эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что: в способе работы газотурбинной установки, включающем подачу в камеру сгорания сжатых воздуха и метансодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов их сгорания в газовой турбине, охлаждение продуктов сгорания путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, используемого для получения дополнительной работы газотурбинной установки, природный газ последовательно смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают в первом теплообменнике продуктами сгорания метансодержащей парогазовой смеси, пропускают через каталитический реактор с образованием метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают во втором теплообменнике, пропускают через второй каталитический реактор и подают в камеру сгорания.

Кроме того:

- нагрев природного газа с водяным паром, высокого давления, подаваемым в каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 350°С-530°С;

- нагрев метансодержащей парогазовой смеси, подаваемой во второй каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 620-680°С;

- давление водяного пара высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа;

- реакцию смеси природного газа с водяным паром высокого давления в каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода от 1 до 5%;

- реакцию метансодержащей парогазовой смеси во втором каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода свыше 20%;

- перед смешением природного газа с водяным паром проводят очистку природного газа от соединений серы;

- в качестве греющей среды первого и второго теплообменника используют продукты сгорания метансодержащей парогазовой смеси.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

Наиболее высокую термодинамическую эффективность утилизации сбросного тепла газовой турбины можно получить при получении с помощью этого тепла химических продуктов, при сгорании которых образуется высокотемпературное рабочее тело, срабатываемое в газотурбинном цикле. К числу таких продуктов относится водород, который не только не образует при сгорании вредных продуктов, но и обеспечивает повышение эффективности турбины и позволяет работать на крайне бедной смеси с очень большим коэффициентом избытка воздуха (до λ=9.8 в случае водородо-воздушной смеси). Благодаря наличию в камере сгорания большого количества воздуха, не принимающего участия в сгорании топлива, достигается значительное снижение температуры выхлопных газов и невероятно низкий уровень выбросов NOx - менее 5 мг/нм3 или 2 ppm, что практически приближается к пределу выявления. При этом увеличение массового расхода рабочего тела приводит к росту мощности турбины. Применение метановодородных смесей с высоким содержанием водорода (до 50%) в качестве топливного газа на газотурбинных установках, в том числе подлежащих реконструкции, позволит не только существенно улучшить эксплуатационные характеристики и снизить расход топливного таза, но и значительно снизить эмиссионные показатели. Обогащение природного газа водородом согласно изобретению производится путем каталитического процесса паровой конверсии метана, эндотермический характер которой требует подвода тепловой энергии. Отбор тепла от продуктов сгорания, выводимых из газовой турбины, производят как для получения водяного пара, часть которого используют в реакции конверсии метана, а оставшийся поток направляют вместе с метановодородной смесью в камеру сгорания, так и для нагрева парогазовой метановодородной смеси, подаваемой в каталитический реактор. Тем самым удается с максимально возможной эффективностью использовать энергию продуктов сгорания, отводимых из газовой турбины.

Примером реализации изобретения служит способ работы газотурбинной установки, описанный ниже.

На фигуре дано схемное решение предложенного способа преобразования энергии.

Способ осуществляется следующим образом.

В компрессоре 1 сжимают воздух, подаваемый в камеру сгорания 2, из которой продукты сгорания метансодержащей парогазовой смеси 3 подают в газовую турбину 4 с нагрузкой 5, а затем в теплообменный блок 6, котором тепло продуктов сгорания отбирают для нагрева метансодержащей парогазовой смеси в теплообменниках 7 и 8 и парогенераторе 9, после чего в контактном конденсаторе 10 из продуктов сгорания выводят воду, конденсируя водяной пар низкого давления, содержащийся в продуктах сгорания, сбрасываемых после этого в атмосферу 11. Конденсацию ведут охлажденной водой 12, которую подают из охладителя 13. Часть конденсата после насоса (на чертеже не показан) направляют в парогенератор 9, из которого пар высокого давления подают на смешение с природным газом 14 в соотношении пар/газ около 4, и полученную парогазовую смесь нагревают до температуры 450°С в теплообменнике 8, после чего направляют в каталитический реактор 15, в котором производят стабилизацию состава парогазовой смеси с получением метансодержащей парогазовой смеси с концентрацией водорода от 1 до 5%, после чего полученную метансодержащую парогазовую смесь нагревают до температуры 650°С во втором теплообменнике 7 и направляют во второй каталитический реактор 16, в котором концентрацию водорода повышают свыше 20% и полученную метансодержащую парогазовую смесь 3 направляют в камеру сгорания 2. Для коррекции состава газов в камеру сгорания 2 могут подавать дополнительный поток природного газа 17. В качестве нагрузки 5 могут выступать электрогенератор или компрессор природного газа на магистральном газопроводе или движитель транспортного средства.

Реакцию в первом и втором каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, для повышения работоспособности которого перед смешением природного газа с водяным паром проводят очистку природного газа от соединений серы.

Давление водяного пара высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа, максимально приближая его к давлению на входе в газовую турбину.

Таким образом указанный способ позволит за счет утилизации тепловой энергии продуктов сгорания в теплообменном блоке получить метансодержащую парогазовую смесь с повышенным содержанием водорода, сжигание которой повышает мощность газовой турбины и снижает выбросы вредных веществ, создать условия снижения затрат энергии и вредных выбросов в атмосферу, увеличения надежности газотурбинной установки, упрощения ее конструкции и условий эксплуатации - задача изобретения.

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания сжатых воздуха и метансодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов их сгорания в газовой турбине, охлаждение продуктов сгорания путем испарения или перегрева водяного пара высокого давления, конденсацию водяного пара низкого давления, содержащегося в продуктах сгорания, испарение и перегрев конденсата с образованием водяного пара высокого давления, направляемого в газотурбинную установку, отличающийся тем, что природный газ последовательно смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают в первом теплообменнике продуктами сгорания метансодержащей парогазовой смеси, пропускают через каталитический реактор с образованием метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают во втором теплообменнике, пропускают через второй каталитический реактор и подают в камеру сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев природного газа с водяным паром высокого давления, подаваемым в каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 350-530°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев метансодержащей парогазовой смеси, подаваемой во второй каталитический реактор, ведут до температуры в диапазоне 620-680°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление водяного пара высокого давления выбирают в диапазоне ориентировочно от 2,0 до 9,0 МПа.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию смеси природного газа с водяным паром высокого давления в каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода от 1 до 5%.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию метансодержащей парогазовой смеси во втором каталитическом реакторе ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, с образованием метансодержащего газа с концентрацией водорода свыше 20%.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед смешением природного газа с водяным паром проводят очистку природного газа от соединений серы.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве греющей среды первого и второго теплообменника используют продукты сгорания метансодержащей парогазовой смеси.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для выработки электроэнергии гарантированных параметров в широком температурном диапазоне атмосферного воздуха при пониженном выбросе вредных веществ в составе выхлопных газов.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности к комбинированным энергетическим установкам, производящим электрическую и тепловую энергию. .

Изобретение относится к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), преимущественно к транспортным энергетическим установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для транспортных средств, снабженных электро- или гибридным приводом.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, и может применяться там, где требуется источник горячего газа с высокими энергетическими параметрами, например в газотурбинных и прямоточных двигателях или при расчистке обледенелой взлетно-посадочной полосы.

Изобретение относится к области теплоэнергетики. .

Изобретение относится к способу и установке для комплексной переработки твердого топлива с целью получения из него жидких углеводородных топлив и электроэнергии. .

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к газотурбинным двигателям, и может быть широко использовано в двигателях различного назначения. .

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к газотурбинным двигателям, и может быть широко использовано в двигателях различного назначения. .

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к газотурбинным двигателям, и может быть широко использовано в двигателях различного назначения. .

Изобретение относится к способу эксплуатации энергетической установки интегрированным газифицирующим устройством

Изобретение относится к энергетике

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к способу получения высокотемпературного воздуха для использования его в качестве рабочего тела в газовой турбине

Изобретение относится к области химии. В первом реакторе производят экзотермически-генерированный продукт 4 синтез-газа, преобразуя первую часть потока углеводородного сырья. В теплообменной установке риформинга получают эндотермически-преобразованный продукт 7 синтез-газа, в котором, по меньшей мере, часть тепла используют от экзотермически-генерированного продукта синтез-газа. Поток 7 охлаждают. Охлажденный поток 8 пропускают через высокотемпературный реактор сдвига, в котором часть CO реагирует с паром, давая диоксид углерода и водород. Полученный поток 9 направляют в низкотемпературный реактор сдвига. Полученный поток 11 подают в сепаратор, который отделяет метан от комбинации экзотермически-генерированного продукта синтез-газа и эндотермически-преобразованного продукта синтез-газа, получая поток отходящего газа. При этом нагреватель сжигает, по меньшей мере, часть отходящего газа, используя выхлоп из газовой турбины в качестве окислителя, давая потоки перегретого пара и углеводородного сырья, используемые в экзотермически- и эндотермически-генерированном продукте синтез-газа. Генератор генерирует энергию, используя газовую турбину для приведения в действие установки по производству кислорода, обеспечивая кислород для генерирования синтез-газа. Изобретение позволяет получать водород высокой чистоты при высоком давлении. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к энергетике. Твердотопливная газотурбинная установка, содержащая компрессор, турбину, полезную нагрузку, расположенные на одном валу, твердотопливную камеру сгорания, выполненную в виде последовательно установленных газификатора, дожигателя и смесителя, и теплообменник. Компрессор выполнен с входом атмосферного воздуха и выходом, соединенным с входом холодного контура теплообменника. Выход холодного контура теплообменника соединен с входом турбины, выход турбины связан с линией подачи воздуха в камеру сгорания, выполненной в виде трех трубопроводов с дросселями, установленными в трубопроводах подачи воздуха в смеситель и дожигатель. Установка дросселей в трубопроводах подачи воздуха в смеситель и дожигатель определяет минимальные гидравлические потери через газификатор и тем самым обеспечивает максимальный КПД установки. Изобретение позволяет снизить потери по тракту газотурбинной установки, исключает абразивный износ проточной части установки и повышает КПД установки в целом. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике. В изобретении описаны системы постепенного окисления, в которые поступает твердое, жидкое или газообразное топливо и которые обеспечивают обработку твердого, жидкого или газообразного топлива. Система может включать в себя установку для газификации твердого топлива, которая обеспечивает извлечение и очистку газообразного топлива из твердого топлива. Система также может включать в себя реакционную камеру, в которую поступает газообразное топливо и которая обеспечивает поддержание процесса постепенного окисления топлива. В некоторых вариантах осуществления жидкости, содержащие загрязняющие вещества, могут быть подвергнуты окислению в камере постепенного окисления. Жидкое топливо и газообразное топливо могут быть подведены в камеру окисления отдельно или в сочетании. Изобретение позволяет повысить эффективность использования топлива. 7 н. и 55 з.п. ф-лы,16 ил.

Топливная система (8) и способ её промывки для газопаротурбинной установки с интегрированной газификацией угля, включающей газовую турбину (1). Топливная система (8) подключена к камере (3) сгорания газовой турбины (1) и содержит устройство (10) для газификации природного топлива и газопровод (9), ответвляющийся от устройства (10) для газификации и соединенный с камерой (3) сгорания газовой турбины (1). В направлении, обратном потоку, выше камеры (3) сгорания в газопровод (9) встроено устройство (21) для насыщения топлива паром. Имеется промывочный трубопровод (42), встроенный в газопровод (9) между устройством (10) для газификации и устройством (21) для насыщения. Топливную систему (8) промывают посредством введения промывочной среды в газопровод (9) между устройством (10) газификации и устройством (21) для насыщения в направлении камеры (3) сгорания. Достигается повышение надёжности и снижение трудоёмкости промывки. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх