Газотурбинная установка

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, газовую турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, камеру сгорания, источник топлива и трубопроводные вентили. Дополнительно установка содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину и потребитель мощности, второй теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, потребитель горячего воздуха и потребитель продуктов сгорания. Изобретение позволяет повысить КПД установки при работе на низкокалорийном газообразном топливе, снизить эмиссию вредных веществ в продуктах сгорания на основных режимах работы и расширить диапазон технических эффектов достигаемых при использовании устройства. 12 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области энергетики и предназначено для эффективного употребления отработанного тепла и продуктов сгорания газотурбинных установок с получением электричества, тепла, механической энергии и расширения диапазона их использования.

В настоящее время сокращаются запасы природных топлив и удорожается их добыча. Кроме того, загрязнение окружающей среды, сопряженное с жизнедеятельностью человека, вызывает ухудшение экологии окружающей среды, требует уменьшения вредных выбросов в атмосферу и разработки экологически «чистых» ГТУ.

В газотурбинных установках, газотурбинных двигателях, приводах газоперекачивающих агрегатов природного газа, в топках водогрейных котлов, на теплоэлектростанциях и в сфере быта широко используется газообразное топливо.

Под газообразным топливом понимается природный газ, попутный газ (образующийся при переработке нефти), сланцевый газ (ныне широко используемый в США), синтез-газ и биогаз, а также газообразный водород.

Преимущество газообразного топлива относительно жидкого и твердого топлив заключается в возможности обеспечения лучшего его смешения с окислителем (воздухом) и образования гомогенной, а не гетерогенной газовоздушной смеси. Это способствует повышению полноты сгорания смеси и улучшению экологических показателей продуктов сгорания установок (применительно, например, к оксидам азота), что связано прежде всего с меньшим временем пребывания гомогенной газовоздушной смеси в ядре пламени.

Известна газотурбинная установка (см. «Мотор Сич. От поршневых - к газотурбинным». - Запорожье. - 2000 г., стр.127 - 129).

Принцип действия простейшей схемы ГТУ, например ГТУ ПАЭС-2500 из представленной книги, заключается в сжатии атмосферного воздуха в компрессоре, его направлении в камеру сгорания для смешения с топливом и сжигания полученной топливно-воздушной смеси, которая направляется в турбину. Мощность турбины из-за повышенной температуры газа превосходит мощность воздушного компрессора, что позволяет получать избыточную энергию, в частности, в электрогенераторе. Однако достаточно высокий КПД простейшей схемы ГТУ достигается только при высокой степени повышения полного давления воздуха π_K в компрессоре и повышении температуры газа перед турбиной T_1T, что обуславливает высокую стоимость ГТУ и снижение ее надежности.

Известна также газотурбинная система по патенту USA №5185997 с приоритетом от 16.02.1993 года. Техническое решение содержит компрессор, камеру сгорания, турбину с электрогенератором, причем компрессор механически связан с турбиной. Однако температура выхлопных газов за турбиной в этой системе достаточно велика, что не позволяет достичь высокой эффективности энергосистемы.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение, является ГТУ с регенерацией тепла выхлопных газов по патенту США «Brayton Cycle Yndustrial Cycle Air Compression» №5586429 от 24.12.1996 г., принятое за прототип.

В соответствии с техническим решением по прототипу газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, камеру сгорания, турбину с электрогенератором, теплообменник с нагреваемым и нагревающим контурами, источник топлива с вентилем. Воздушный компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом через вентиль и нагреваемый контур теплообменника с камерой сгорания. Камера сгорания соединена с источником топлива и с входом турбины, выход которой через нагревающий контур теплообменника соединен с потребителем тепла выхлопных газов. Турбина механически соединена с воздушным компрессором.

В ГТУ тепло продуктов сгорания в теплообменнике нагревает воздух, поступающий из компрессора в камеру сгорания, а турбина работает на продуктах сгорания топлива, поступающих из камеры сгорания. Продукты сгорания топлива из теплообменника выбрасываются в атмосферу. ГТУ этой схемы может иметь более высокий кпд при достаточно низких значениях π_K и T_1T. Однако работа ГТУ традиционной схемы на низкокалорийных топливах приводит к высокому уровню потерь тепла с продуктами сгорания по сравнению с работой ГТУ на высококалорийном топливе и снижению кпд установки. Это связано с тем, что расход газа через турбину значительно превышает расход воздуха через компрессор из-за использования большого количества низкокалорийного топлива для достижения заданной температуры газа перед турбиной. В частности, одной из особенностей теплофизических свойств биогаза и синтез-газа является низкое значение стехиометрического отношения расходов воздуха и топлива (L₀=1-2), что в среднем на порядок меньше величины L0 природного газа. Отсюда - недостаточно высокая эффективность и узкий диапазон потребительских свойств ГТУ.

В основу изобретения для газотурбинных установок положено решение следующих задач:

- повышение КПД при работе на низкокалорийном газообразном топливе;

- снижение эмиссии вредных веществ (NO_x и СО) в продуктах сгорания на основных режимах при работе на низкокалорийном газообразном топливе вплоть до значений 5 ppm без значительного уменьшения полноты сгорания на переходных режимах;

- расширение арсенала технических эффектов, получаемых при работе установки.

Поставленные задачи решаются тем, что газотурбинная установка содержит воздушный компрессор, газовую турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, камеру сгорания, источник топлива и трубопроводные вентили. Компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур теплообменника с входом камеры сгорания. Причем вход камеры сгорания соединен через вентиль и с источником топлива, а выход - с входом газовой турбины. При этом выход газовой турбины соединен через нагревающий контур теплообменника с атмосферой.

Новым в ГТУ является то, что установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину и потребитель мощности, второй теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, потребитель горячего воздуха и потребитель продуктов сгорания.

Источник топлива с вентилем соединен с входом камеры сгорания через нагреваемый контур второго теплообменника. Вход воздушной турбины соединен с выходом компрессора через нагреваемый контур теплообменника. Выход воздушной турбины соединен с потребителем горячего воздуха через нагревающий контур второго теплообменника и вентиль. Выход газовой турбины после нагревающего контура теплообменника соединен с атмосферой через вентиль. Потребитель продуктов сгорания соединен с выходом из турбины через нагревающий контур теплообменника и вентиль.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, так как:

- наличие в установке дополнительно установленных на отдельном валу воздушной турбины и потребителя мощности, второго теплообменника с нагревающим и нагреваемым контурами, потребителя горячего воздуха и потребителя продуктов сгорания обеспечивает увеличение арсенала используемых потребителей мощности и расширение технических эффектов, получаемых при работе установки, а также улучшает экологические показатели установки;

- соединение источника топлива с вентилем с входом камеры сгорания через нагреваемый контур второго теплообменника позволяет осуществлять предварительный нагрев топлива перед подачей в камеру сгорания от горячего воздуха после воздушной турбины, что позволяет повысить кпд ГТУ за счет уменьшения количества потребляемого топлива при его подогреве перед подачей в камеру сгорания;

- соединение выхода газовой турбины с атмосферой после нагревающего контура теплообменника через вентиль обеспечивает максимальное значение степени расширения газа на турбине с достижением минимальных потерь полного давления газа при его выходе из турбины, что повышает удельную мощность турбины;

- соединение потребителя продуктов сгорания с выходом из газовой турбины через нагревающий контур теплообменника и вентиль обеспечивает возможность дополнительного использования теплосодержания продуктов сгорания с расширением диапазона технических эффектов, получаемых при работе установки.

Существенные признаки изобретения могут иметь развитие и продолжение.

Источник топлива содержит топливо газообразного вида. Это обеспечивает повышение полноты сгорания топлива за счет достижения большей степени гомогенизации газовоздушной смеси против использования, например, жидкого топлива. На основании экспериментальных исследований известно, что полнота сгорания газообразного топлива на 2,0-3,0% выше полноты сгорания жидкого топлива.

Источник топлива может содержать топливо из продуктов переработки нефти. Это позволяет эффективно использовать попутный газ, образующийся в процессе переработки нефти, который, как правило, сжигается в факелах на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ). Использование попутного газа в качестве топлива заметно снижает удельную стоимость получаемых электроэнергии и тепла, а также улучшает экологические показатели при эксплуатации ГТУ, расположенной вблизи НПЗ. Пример такого рационального использования попутного газа при работе ГТУ ПАЭС-2500 имеется при частичном снабжении электроэнергией города Славянска-на-Кубани (Краснодарский край).

Источник топлива может содержать топливо в виде продуктов утилизации промышленных, бытовых отходов и продуктов утилизации сточных вод. Это заметно улучшает экологические показатели региона, так как позволяет исключить выбросы отходов в окружающую среду. Примером может служить опыт работы Курьяновской очистной станции в Юго-Восточном округе г.Москвы, где за счет сжигания биогаза, образующегося при переработке канализационных стоков, снижается на 40% внешнее потребление электроэнергии на собственные нужды станции.

Источник топлива может содержать топливо в виде утилизации продуктов растительного происхождения. Это позволяет широко использовать возобновляемое растительное сырье (отходы лесоперерабатывающей промышленности и сельскохозяйственного производства: лузгу, кукурузную ботву и др.).

Наличие дополнительного газового компрессора, установленного между источником газообразного топлива с вентилем и нагреваемым контуром дополнительного теплообменника, обеспечивает расширение возможностей ГТУ, например возможность подавать газовое топливо в камеру сгорания под повышенным давлением в нагретом виде.

Выполнение потребителя мощности в виде дополнительного электрогенератора обеспечивает возможность получения электроэнергии с параметрами, иными, чем параметры основного электрогенератора.

Выполнение потребителя мощности в виде насоса расширяет потребительские возможности ГТУ для использования при эксплуатации.

Наличие дополнительного фильтра очистки воздуха позволяет улучшить качество воздуха за счет исключения следов масла в нем и использовать воздух для обогрева и вентиляции жилых помещений.

Выполнение потребителя продуктов сгорания в виде котла-утилизатора позволяет нагревать воду для теплофикационных нужд установки.

Таким образом решены поставленные в изобретении для газотурбинных установок задачи. Предложенная ГТУ позволяет:

- повысить кпд при работе на низкокалорийном газообразном топливе;

- снизить эмиссию вредных веществ (NO_x и CO) в продуктах сгорания на основных режимах при работе на низкокалорийном газообразном топливе вплоть до значений 5 ppm без значительного уменьшения полноты сгорания на переходных режимах;

- расширить арсенал технических эффектов, получаемых при работе установки.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием ГТУ и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг.1, 2, где:

на фиг.1 изображена схема базового ГТУ;

на фиг.2 - вариант базового ГТУ.

Газотурбинная установка (см. фиг.1) содержит воздушный компрессор 1, газовую турбину 2 и электрогенератор 3, установленные на одном валу, теплообменник 4 с нагревающим и нагреваемым контурами 5, 6 соответственно, камеру сгорания 7, источник топлива 8 и трубопроводные вентили. Компрессор 1 входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур 6 теплообменника 4 с входом камеры сгорания 7. Установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину 10 и потребитель мощности 11, второй теплообменник 12 с нагревающим и нагреваемым контурами 13, 14 соответственно, потребитель 15 горячего воздуха и потребитель 16 продуктов сгорания. Источник топлива 8 с вентилем 9 соединен с входом камеры сгорания 7 через нагреваемый контур 14 второго теплообменника 12, а выход - с входом турбины 2. Вход воздушной турбины 10 соединен с выходом компрессора 1 через нагреваемый контур 6 теплообменника 4. Выход воздушной турбины 10 соединен с потребителем 15 горячего воздуха через нагревающий контур 13 второго теплообменника 12 и вентиль 17. Выход газовой турбины 2 после нагревающего контура 5 теплообменника 4 соединен с атмосферой через вентиль 18. Потребитель 16 продуктов сгорания соединен с выходом из турбины 2 через нагревающий контур 5 теплообменника 4 и вентиль 19.

Источник топлива 8 содержит топливо газообразного вида. Источник топлива 8 может содержать газообразное топливо из продуктов переработки нефти, продуктов утилизации промышленных и бытовых отходов, канализационных стоков и продуктов растительного происхождения.

Газотурбинная установка (см. фиг.2) может дополнительно содержать газовый компрессор 20, установленный между источником газообразного топлива 8 с вентилем 9 и нагреваемым контуром 14 дополнительного теплообменника 12.

Потребитель мощности 11 может быть выполнен в виде дополнительного электрогенератора, дополнительного воздушного компрессора или насоса.

Газотурбинная установка содержит фильтр 21 очистки воздуха, установленный между выходом из воздушной турбины 10 и нагревающим контуром 13 второго теплообменника 12.

Потребитель 16 продуктов сгорания может быть выполнен в виде котла-утилизатора, коллектора инертных газов или установки по производству товарной двуокиси углерода.

Газотурбинная установка работает следующим образом. Электрогенератор 3 (см. фиг.1) в режиме стартера раскручивает вал с воздушным компрессором 1 и газовой турбиной 2. Компрессор 1 всасывает из атмосферы воздух, сжимает его и направляет в нагреваемый контур 6 теплообменника 4, где он после выхода установки на установившийся режим предварительно нагревается и основная часть его поступает в камеру сгорания 7. Одновременно из источника газообразного топлива 8 через открытый вентиль 9 и нагреваемый контур 14 дополнительного теплообменника 12 топливо поступает в камеру сгорания 7, где оно в потоке воздуха сгорает. Образующийся горячий газ поступает в газовую турбину 2, выходя из которой проходит через нагревающий контур 5 теплообменника 4, где отдает часть тепловой энергии воздуху, идущему из воздушного компрессора 1 через нагреваемый контур 6 теплообменника 4. Далее частично охлажденный газ через вентиль 19 поступает к потребителю 16 продуктов сгорания. Часть продуктов сгорания после теплообменника 4 через вентиль 18 отводится в атмосферу. Горячий газ в турбине 2, расширяясь, создает на ее валу мощность, часть которой расходуется на привод воздушного компрессора 1, а оставшаяся часть мощности идет на создание электроэнергии в электрогенераторе 3.

Часть нагретого воздуха из компрессора 1 после нагреваемого контура 6 теплообменника 4 поступает в воздушную турбину 10, где, расширяясь, создает на ее валу мощность, потребляемую потребителем мощности 11. Далее нагретый воздух из воздушной турбины 10 поступает в нагревающий контур 13 дополнительного теплообменника 12, отдавая часть тепла топливу, идущему в нагреваемом контуре 14 дополнительного теплообменника 12, и поступает через вентиль 17 к потребителю горячего воздуха 15.

Установка топливного компрессора 20 (см. фиг.2) между источником газообразного топлива 8 с вентилем 9 и нагреваемым контуром 14 дополнительного теплообменника 12 позволяет при необходимости повышать давление газообразного топлива до давления воздуха в камере сгорания 7.

Газотурбинная установка может содержать фильтр 21 очистки воздуха. При прохождении через фильтр 21 горячий воздух очищается от частиц масла, попавших в него из подшипников воздушного компрессора 1 и воздушной турбины 10, что повышает потребительские качества горячего воздуха так, что его можно использовать для прямого обогрева жилых помещений.

В качестве конкретного примера рассмотрим газотурбинную установку, работающую на синтез-газе, полученном при газификации твердых бытовых отходов (ТБО). Величина низшей теплотворной способности H_U синтез-газа для ТБО московского мегаполиса может быть принята равной H_U=5132 кДж/кг. Результаты расчетов различных вариантов ГТУ с частичным нагревом воздуха после компрессора в теплообменнике теплом выхлопного газа при разных значениях степени повышения полного давления воздушного компрессора π_K показывают, что для температуры газа перед турбиной Т_1Т=1100К (допустимая величина для неохлаждаемой газовой турбины с большим ресурсом) оптимальной величиной является як=4. При этом максимально возможная величина отбора горячего воздуха перед камерой сгорания равна 20%, что ограничивается возможностями нормальной работы теплообменника. При принятых значениях параметров ГТУ:

- температура газа перед турбиной T_1T=1100 К,

- степень повышения полного давления компрессора π_K=4.0,

- коэффициент термической эффективности теплообменника ε=0.85,

- суммарный коэффициент сохранения полного давления трактов теплообменника σ=0.95,

- кпд компрессора η_K=0.85,

- кпд турбины η_T=0.9,

проведены расчеты основных параметров: традиционного ГТУ (содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и потребитель мощности) - вариант 1, традиционный ГТУ с теплообменником - вариант 2 и традиционный ГТУ с теплообменником и отбором воздуха перед камерой сгорания - вариант 3, результаты которых представлены в таблице.

Варианты	πK	$${\overline{G}}_T$$	NГEH/GB, кВт·с/кг	ηГТУ	QTB, кДж·с/кг
1	7.0	0.149	180	0.228	-
2	7.0	0.115	175	0.298	-
1	4.0	0.173	168	0.178	-
2	4.0	0.102	158	0.302	-
3	4.0	0.079	132	0.326	44.0

При расчете варианта 3 учтены выработка мощности воздушной турбиной, тепла чистого горячего воздуха и подогрева частью его газообразного топлива.

Здесь обозначены: $${\overline{G}}_T$$ - отношение расходов топлива и воздуха, η_ГТУ - кпд газотурбинной установки, G_B - расход воздуха компрессора, Q_ТВ - удельное тепло чистого горячего воздуха, N_ГEH=N_T-N_K+N_TB-N_TK - полезная мощность ГТУ, где N_T - мощность газовой турбины, N_{K -} мощность воздушного компрессора, N_TB - мощность воздушной турбины, N_TK - мощность топливного компрессора

В таблице для сравнения приведены и данные для ГТУ π_K=7, который имеет широко распространенная в стране передвижная электростанция ПАЭС-2500 мощностью 2500 кВт.

Из таблицы видно, что переход к ГТУ с теплообменником (вариант 2) со степени понижения полного давления π_K=7 к π_K=4 не приводит к уменьшению кпд установки, а введение отбора воздуха перед камерой сгорания (вариант 3) и использование его потенциальной энергии в воздушной турбине и части тепловой энергии для дополнительного нагрева газообразного топлива за топливным компрессором (в котором оно нагревается в процессе сжатия) позволяет повысить кпд установки еще на 8% (с 0.302 до 0.326).

Если же учесть возможность полезного использования тепловой энергии чистого горячего воздуха (Q_TB=44кДж·с/кг), то величина кпд увеличится до 0.435.

Таким образом, вариант ГТУ с отбором воздуха перед камерой сгорания позволяет повысить кпд на 8% и дополнительно снабжать потребителей горячим воздухом для технологических целей, например для сушки древесины, обогрева чистым воздухом крупных помещений и др.

Предлагаемое техническое решение может найти полезное применение в первую очередь при использовании биогаза или синтез-газа в качестве топлива для ГТУ. Актуальность предложения подтверждается концептуальным документом «Энергетическая программа России до 2020 года», утвержденным распоряжением Правительства РФ от 28.08.2003 г. №1234-р. В программе ставится задача «преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии», в том числе на основе утилизации отходов жизнедеятельности людей.

1. Газотурбинная установка, содержащая воздушный компрессор, газовую турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, камеру сгорания, источник топлива и трубопроводные вентили, где компрессор входом соединен с атмосферой, а выходом - через нагреваемый контур теплообменника с входом камеры сгорания, причем вход камеры сгорания соединен через вентиль и с источником топлива, а выход - с входом турбины, при этом выход газовой турбины соединен через нагревающий контур теплообменника с атмосферой, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину и потребитель мощности, второй теплообменник с нагревающим и нагреваемым контурами, потребитель горячего воздуха и потребитель продуктов сгорания, где источник топлива с вентилем соединен с входом камеры сгорания через нагреваемый контур второго теплообменника, вход воздушной турбины соединен с выходом компрессора через нагреваемый контур теплообменника, выход воздушной турбины соединен с потребителем горячего воздуха через нагревающий контур второго теплообменника и вентиль, выход газовой турбины после нагревающего контура теплообменника соединен с атмосферой через вентиль, потребитель продуктов сгорания соединен с выходом из турбины через нагревающий контур теплообменника и вентиль.

2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что источник топлива содержит топливо газообразного вида.

3. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что источник топлива содержит топливо из продуктов переработки нефти.

4. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что источник топлива содержит топливо в виде продуктов утилизации промышленных отходов.

5. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что источник топлива содержит топливо в виде продуктов утилизации бытовых отходов.

6. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что источник содержит топливо в виде продуктов утилизации канализационных стоков.

7. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что источник топлива содержит топливо в виде утилизации продуктов растительного происхождения.

8. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит газовый компрессор, установленный между источником газообразного топлива с вентилем и нагреваемым контуром дополнительного теплообменника.

9. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что потребитель мощности выполнен в виде дополнительного электрогенератора.

10. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что потребитель мощности выполнен в виде дополнительного воздушного компрессора.

11. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что потребитель мощности выполнен в виде насоса.

12. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит фильтр очистки воздуха.

13. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что потребитель продуктов сгорания выполнен в виде котла-утилизатора.