Газотурбинная установка с впрыском водяного пара


 


Владельцы патента RU 2527010:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики Российской академии наук (RU)

Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор. В камеру сгорания поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо и происходит их смешение, воспламенение и сгорание. Котел-утилизатор предназначен для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания. Газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания. Изобретение направлено на увеличение удельной мощности, повышение КПД, снижение удельного расхода топлива и увеличение (продление) ресурса, а также для снижения выбросов в атмосферу токсичных веществ, в частности оксидов азота (NOx) и угарного газа (CO) с продуктами сгорания. 1 ил.

 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с впрыском водяного пара (газопаровые энергоустановки) и может быть использовано для увеличения удельной мощности, повышения КПД, снижения удельного расхода топлива и увеличения (продления) ресурса, а также для снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу с продуктами сгорания.

Известен газопаровой цикл STIG (Steam Injected in Gas) фирмы «General Electric» (USA) (Колп Д.А., Меллер Д.Ж. Ввод в эксплуатацию первой в мире ГТУ полного цикла STIG на базе газогенератора LV-5000. Современное машиностроение, серия А, 1989, №11, стр.1÷14.), в котором с целью повышения КПД и удельной мощности газотурбинной энергоустановки осуществляют подачу (впрыск) водяного пара в камеру сгорания (КС) ГТУ. Водяной пар (далее для краткости «пар»), используемый в качестве дополнительного рабочего тела для работы турбины, получают в рекуперативном теплообменнике, т.н. котле-утилизаторе, путем нагрева и испарения подаваемой воды за счет тепла продуктов сгорания. Аналогичные схемы использованы в отечественной установке МЭС-60 (Батенин В.М., Беляев В.Е., Васютинский В.Ю. и др. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (ПГУ МЭС-60) для ОАО «Мосэнерго». Институт высоких температур РАН, ММПП ФГУП «Салют», ОАО «Мосэнерго». Москва, 2001), а также описаны, например, в патентах США №4823546 от 25.04.1989, №5564269 от 15.10.1996, №6370862 от 16.04.2002.

Наряду с достижением более высоких энергетических характеристик применение цикла STIG понижает температуру пламени в камере сгорания и тормозит процессы образования токсичных оксидов азота (NOx), и их концентрация в выбросах снижается в несколько раз. Однако понижение температуры пламени приводит к замедлению процессов горения и к уменьшению полноты сгорания метана (основного компонента газового топлива), и при увеличении впрыска пара возрастает концентрация угарного газа CO (основного продукта «недожога») в выбросах. Поэтому из-за недопустимого роста концентрации CO при существенном увеличении впрыска пара, в указанном цикле STIG нельзя увеличить отношение массы впрыскиваемого пара к массе сжигаемого метана выше критического уровня примерно 2:1.

Принципиальным препятствием для увеличения соотношения пар: метан выше критического в цикле STIG является невозможность однородно перемешать впрыскиваемый пар с газовыми компонентами за короткое время пребывания в камере сгорания (см., например, Иванов А.А., Ермаков А.Н., Шляхов Р.А. О глубоком подавлении выбросов NOx и CO в ГТУ с впрыском воды или пара. Изв. РАН, Энергетика, 2010, №3, 119-128). В итоге в КС формируются локальные области и с пониженным, и с повышенным содержанием пара относительно среднего соотношения пар: метан (2:1). В областях с повышенной долей пара, т.е. в условиях сильного понижения температуры, чрезмерно тормозится процесс догорания CO, и это приводит к недопустимому росту концентрации CO в выбросах ГТУ при увеличении впрыска пара.

Таким образом, недостатком цикла STIG является чрезмерное замедление процесса догорания CO в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры, препятствующее полному сгоранию топлива (природного газа, синтез-газа) в КС ГТУ, из-за чего нельзя увеличить впрыск пара в КС ГТУ выше указанного предела по отношению к содержанию метана (2:1), и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД газотурбинной установки, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NOx) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по своей технической сущности является газотурбинная установка с впрыском пара, описанная в патенте США №5564269 от 15.10.1996 (прототип). Такая газотурбинная установка содержит: компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства (форсунки) для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания.

В указанном устройстве так же, как и в других известных устройствах с впрыском пара в камеру сгорания ГТУ (см., например, аннулированный патент РФ на полезную модель №83544 от 10.06.2009), локальное превышение доли пара относительно среднего соотношения пар: метан приводит к чрезмерному понижению температуры и торможению процесса горения топлива. Это, в свою очередь, ведет к его неполному сгоранию и к недопустимому росту концентрации угарного газа в выбросах, из-за чего нельзя увеличить выше некоторого предела долю пара, впрыскиваемого в КС ГТУ, и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NOx) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи ускорения процессов горения и увеличения полноты сгорания газового топлива при увеличении доли водяного пара, впрыскиваемого в камеру сгорания ГТУ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания, оснащена дополнительно системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания.

Реализация заявляемого изобретения обеспечивает получение нескольких технических результатов, в том числе: 1) ускорение процессов горения, 2) увеличение полноты сгорания метана, 3) повышение КПД ГТУ, 4) снижение вредных выбросов оксидов азота и угарного газа, 5) увеличение удельной мощности ГТУ, 6) снижение удельного расхода топлива в ГТУ, 7) увеличение ресурса работы ГТУ.

Активатор горения представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что ускоряет сгорание топлива и продуктов его высокотемпературных превращений, включая CO. Одним из примеров активатора горения является пероксид водорода (H2O2), который при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что способствует ускорению и углублению процесса сгорания топлива, в том числе и в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры. Увеличение полноты сгорания CO позволяет увеличить впрыск пара в камеру сгорания, благодаря чему удается повысить КПД и одновременно понизить содержание CO и оксидов азота в выбросах. В качестве активатора горения выгодно использовать водные растворы пероксида водорода (H2O2), в частности, 30% водный раствор пероксида водорода (H2O2).

Ускорение и углубление процесса сгорания топлива под действием активатора горения позволяет использовать такие системы смешения активатора горения с паром, как, например, паровые эжекторы.

Пример устройства ГТУ по настоящему изобретению показан на фиг.1

ГТУ с впрыском водяного пара на фиг.1 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, топливный насос 2, средства 3 для подачи топлива, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину 5, электрогенератор 6 для выработки электроэнергии, механические средства 7 и 8 для передачи механической энергии турбины на работу компрессора 1 и на вращение электрогенератора 6, соответственно, котел-утилизатор 9, систему впрыска 10 пара в камеру сгорания, систему подачи 11 активатора горения и систему смешения 12 активатора горения с паром.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. После запуска с помощью стартера ГТУ и прогрева и выхода на номинальный режим котла утилизатора 9 включают систему впрыска 10 пара в камеру сгорания. Затем включают систему подачи 11 активатора горения, в качестве которого используют, например, 30% водный пероксид водорода (H2O2), и систему смешения 12 активатора горения с паром. За счет тепла перегретого пара в получаемой таким образом паро-капельной смеси происходит преимущественное испарение воды благодаря большей летучести ее паров. Вследствие преимущественного испарения воды концентрация активатора горения в каплях паро-капельной смеси будет нарастать, и одновременно с этим будут усиливаться его свойства как активатора горения. В результате в камере сгорания 4 распыляется смесь пара и мелкодисперсной влаги, содержащей необходимую концентрацию активатора горения. При попадании мелкодисперсных капель с высокой концентрацией активатора горения в КС сгорание топлива вблизи них значительно ускоряется благодаря разложению (диссоциации) пероксида водорода на гидроксильные радикалы и их выходу в газовую фазу. Кроме того, из-за нестабильности пероксида водорода при высоких температурах часть его при испарении капель превращается в воду и газообразный кислород, способствующие, подобно пропелленту, дополнительному распылению оставшихся капель. Благодаря выделению кислорода и гидроксильных радикалов, добавка активатора горения способствует полному сгоранию топлива и при недостижимых в отсутствие активатора горения соотношениях пара к метану, что обеспечивает повышение эффективности работы ГТУ. Важно при этом, чтобы основная часть пероксида водорода не подверглась преждевременному высокотемпературному разложению до попадания в камеру сгорания.

Благодаря включению системы подачи 11 активатора горения и системы смешения 12 активатора горения с паром может быть достигнуто: а) повышение КПД более 3%, б) повышение мощности (удельной мощности) в форсированном режиме более 3% от номинальной; в) снижение (экономия) расхода топлива в номинальном режиме установленной мощности более 2%, г) увеличение ресурса работы ГТУ в номинальном режиме установленной мощности более чем в 1,1-1,2 раза за счет снижения температурных градиентов в контуре ГТУ. Одновременно с этим достигается снижение вредных выбросов оксидов азота более чем на 10-50% за счет снижения температуры в камере сгорания ГТУ, а также снижение выбросов угарного газа более чем на 10-30% за счет активации горения.

Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания, отличающаяся тем, что газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания.



 

Похожие патенты:

Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, средства для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор.

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка (ГТУ) с впрыском жидкости в контур ГТУ оснащена системой подачи и смешения активатора горения с жидкостью, подаваемой в контур ГТУ.

Изобретение относится к проблеме вредного воздействия выбросов из газотурбинных установок с регенерацией тепла на окружающую среду. .

Изобретение относится к проблеме вредного воздействия выбросов из газотурбинных установок с регенерацией тепла, в первую очередь, окислов азота на окружающую среду.

Изобретение относится к двигателестроению, Камерно-инжекторно-турбинный двигатель содержит сообщенные между собой посредством вала турбину и компрессор с электрогенератором, камеры сгорания, системы управления, охлаждения и зажигания.
Изобретение относится к области производства механической энергии в первичных тепловых двигателях роторного типа с газообразным рабочим телом, в которых повышение КПД осуществляется за счет регенерации тепла отработавших газов с использованием эндотермических процессов водно-парового преобразования углеводородного топлива.

Изобретение относится к области энергетики и может быть направлено на создание высокоэкономичных газотурбинных установок и двигателей, в том числе и авиационных. .

Изобретение относится к системам переработки вредных газов. .

Изобретение относится к области газотурбинных установок для промышленной теплоэнергетики для привода электрогенераторов. .

Изобретение относится к компрессоростроению и может быть использовано в теплоэнергетике, газоперекачивающих станциях, наземных и судовых транспортных средствах в стационарных газотурбинных установках, имеющих в своем составе осевой многоступенчатый компрессор. Способ повышения эффективности работы осевого многоступенчатого компрессора осуществляется путем впрыска воды. Воду в воздушный поток подают через калиброванные выпускные каналы, выполненные на поверхности лопаток направляющего аппарата. Впрыск воды проводят при температуре насыщения, соответствующей сумме локального давления в ступенях компрессора и перепада давления в указанных выпускных каналах. Впрыск воды начинают проводить в ступенях компрессора, где температура среды становится выше температуры насыщения воды при локальном давлении в ступенях компрессора. Достигается уменьшение потребляемой компрессором мощности за счет определения оптимальных места и параметров впрыскиваемой воды в проточную часть многоступенчатого компрессора. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Система генерирования мощности с комбинированным циклом содержит паротурбинную систему, газотурбинную систему, включающую в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину; парогенератор с регенерацией тепла, проточную линию. Парогенератор с регенерацией тепла подсоединен между газотурбинной системой и паротурбинной системой для генерирования пара с тепловой энергией, принимаемой из газотурбинной системы. Парогенератор с регенерацией тепла включает в себя первую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара высокого давления, вторую ступень, выполненную с возможностью выдачи пара промежуточного давления, и третью ступень, выполненную с возможностью выдачи пара низкого давления. Проточная линия выполнена с возможностью пропускания насыщенного пара, образованного в парогенераторе с регенерацией тепла, в камеру сгорания газотурбинной системы, Проточная линия содержит конденсатор и перегреватель. Конденсатор подсоединен между парогенератором с регенерацией тепла и перегревателем, а перегреватель подсоединен между конденсатором и камерой сгорания. Конденсатор расположен в системе генерирования мощности с комбинированным циклом с негоризонтальной ориентацией для того, чтобы осуществить перемещение вверх насыщенного пара из парогенератора с регенерацией тепла в камеру сгорания и гравитационное перемещение вниз образовавшегося в конденсаторе конденсата в парогенератор с регенерацией тепла с уменьшением количества пара, переносимого в камеру сгорания, при переносе диоксида углерода из проточной линии в камеру сгорания. Изобретение направлено на уменьшение вредных воздействий компонентов, появляющихся в процессах генерирования мощности. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики. При работе газотурбинной установки охлаждение сжатого воздуха в смесительных камерах турбокомпрессора осуществляют путем подачи в смесительные камеры незамерзающего при минусовых температурах окружающей среды антифриза в виде капель размером 20-500 мкм и полного вывода антифриза из смесительных камер с помощью сепарационно-вихревых устройств после безыспарительного нагрева антифриза. Безыспарительность контактным капельным охлаждением сжатого воздуха обеспечивается расходом хладагента, при котором влагосодержание воздуха на входе в смесительную камеру практически равно на выходе из нее. Кроме того поддерживается изотермичность процесса сжатия в пределах 1-10°C. Выведенный из смесительных камер нагретый антифриз направляют в повторный оборот, предварительно охлаждая его воздухом окружающей среды в автономном теплообменном устройстве до температуры выше, чем температура окружающей среды на 1-8°C. Изобретение позволяет повысить эффективность газотурбинной установки за счет снижения температуры изобарного охлаждения сжатого воздуха в смесительных камерах турбокомпрессора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Газотурбинная установка повышенной эффективности содержит газификатор угля, систему очистки продуктов газификации, регенеративные теплообменники, камеру сгорания, газовую турбину, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор со смесительными камерами. Смесительные камеры установлены между ступенями и выполнены в виде кольцевых цилиндрических полостей, размещенных в газовом тракте многоступенчатого компрессора симметрично относительно его оси. Размеры смесительных камер выполнены увеличенными в радиальном направлении размерами по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени компрессора. Каждая смесительная камера снабжена средствами впрыска жидкости, сепарации и вывода ее неиспарившейся части. Камера сгорания выполнена с возможностью работы на жидком или газообразном топливе, для чего выход многоступенчатого компрессора соединен через рекуперативный теплообменник на выходе газовой турбины через запорный вентиль с входом камеры сгорания. В качестве охлаждающей жидкости использован антифриз. Турбокомпрессор снабжен средствами, обеспечивающими впрыск антифриза в смесительные камеры в виде крупных капель размером 20-500 мкм и полный вывод их после без испарительного контактного нагрева. Средства впрыска и вывода антифриза объединены в замкнутый гидравлический контур, включающий в себя смесительные камеры с вентилями ввода и вывода антифриза, циркуляционный насос, теплообменное устройство контактного типа для охлаждения нагретого антифриза воздухом окружающей среды с помощью вентиляторов до температуры выше температуры окружающего воздуха на 1-8°C, систему контроля уровня и концентрации раствора антифриза в теплообменном устройстве и смесительных камерах, трубопроводные линии подпитки водой и антифризом теплообменного устройства, линию слива из теплообменного устройства в резервную емкость, линию подачи антифриза из резервной емкости в гидравлический контур и запорные вентили. Изобретение направлено на повышение КПД и эффективности газотурбинных установок, работающих на угольном, жидком или газообразном топливе. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Способ работы газовой турбины с последовательным сгоранием, при этом газовая турбина содержит компрессор, первую камеру сгорания собственно с первой камерой сгорания и первыми горелками, которая принимает сжатый воздух из компрессора, вторую камеру сгорания собственно со второй камерой сгорания и вторыми горелками, которая принимает горячий газ из первой камеры сгорания с заданной температурой на впуске второй камеры сгорания, и турбину, которая принимает горячий газ из второй камеры сгорания. Температуру на впуске второй камеры сгорания понижают для работы газовой турбины при увеличении нагрузки на газовую турбину с частичной нагрузки до базовой нагрузки. Температуру на впуске второй камеры сгорания повышают при уменьшении нагрузки на газовую турбину с базовой нагрузки до частичной нагрузки. Изобретение направлено на снижение выбросов СО и падения давления при работе с частичной нагрузкой без повышения риска обратной вспышки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области эксплуатации газотурбинных двигателей, в частности к двигателям, применяемым в качестве привода нагнетателя газоперекачивающих агрегатов, контролю технического состояния и его восстановлению. Перед началом прокрутки двигателя предварительно производят очистку входного направляющего аппарата и рабочих лопаток первой ступени компрессора, а перед подачей моющего раствора дополнительно в систему наддува предмасляных полостей опор двигателя и в коллектор подачи топлива к топливным форсункам подают сжатый воздух и через 10…15 с после завершения подачи моющего раствора подачу сжатого воздуха перекрывают, при этом моющий раствор, через по крайней мере одну форсунку по тракту осевого компрессора подают в направлении, обратном направлению потока. Технический результат изобретения - исключение попадания моющего раствора в топливный коллектор и форсунки подачи топлива, а также исключение возможности попадания моющего раствора в масляную систему двигателя. 1 ил.

Способ эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции, содержащей компрессорную установку и турбинную установку, заключается в том, что полезную работу отбирает по меньшей мере одно устройство, имеющееся в станции, при котором производят топочные газы камерой сгорания, установленной перед турбинной установкой. Воду и/или пар впрыскивают путем теплообмена с потоком горячего газа после турбинной установки и/или в канале компрессора. Воду и/или пар направляют в газовый поток перед камерой сгорания и/или в камеру сгорания в таких количествах, чтобы по меньшей мере 80% кислорода, содержащегося в воздухе в данном потоке, потреблялось при сгорании в камере сгорания. Теплоноситель, используемый в нагревательном устройстве, нагревают теплотой, отобранной конденсатором топочного газа, расположенным в потоке топочного газа после турбинной установки. Поток топливного газа после турбинной установки дополняют топочными газами из дополнительной камеры сгорания. Кислород для сгорания для этой дополнительной камеры сгорания подают из увлажнителя входного воздуха. Воду и теплоту отбирают из потока топочного газа после конденсатора топочного газа с помощью дополнительного конденсатора, в результате чего поток топочного газа дополнительно осушают, а воду и теплоту, отобранную из этого потока, направляют в воздух, поступающий в компрессорную установку, посредством увлажнителя входного воздуха. Изобретение направлено на повышение эффективности эксплуатации газотурбинной комбинированной теплоэлектростанции. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ форсирования двухконтурного турбореактивного двигателя, заключающийся в подаче в основную камеру сгорания форсажного топлива. Коллектор форсажного топлива расположен в зоне вторичного воздуха основной камеры сгорания. Предпочтительно частота вращения компрессора и перепад давлений на турбинах поддерживаются постоянными. Способ позволяет повысить экономичность двигателя на форсированных режимах и уменьшить габариты форсажной камеры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх