Газотурбинная установка повышенной эффективности


 


Владельцы патента RU 2545261:

Белоглазов Александр Алексеевич (RU)
Ночевник Михаил Наумович (RU)

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.

 

Изобретение относится к газотурбодетандерным установкам и может быть использовано для выработки электроэнергии на газораспределительных станциях магистральных газопроводов для создания высокоэкономичных энергетических установок.

Известна газотурбодетандерная энергетическая установка (патент РФ №2091592 «Способ работы газотурбодетандерной установки», F01K 27/00, F02C 6/00, приоритет 23.08.1994), предназначенная для выработки электроэнергии на газораспределительной станции (ГРС). Она содержит магистраль природного газа высокого давления, теплообменник, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), систему управления, газотурбинный авиационный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, систему управления дозатором газа, теплообменник-регенератор, выходную газовую магистраль, редуктор. Вал авиационного двигателя связан общим валом с валом турбодетандера и через понижающий редуктор с валом электрогенератора. Выхлопной газоход газовой турбины авиадвигателя связан через теплообменник-регенератор с атмосферой. Природный газ высокого давления перед турбодетандером подогревают в теплообменнике-рекуператоре за счет теплоты выхлопных газов авиадвигателя. Выход турбодетандера связан с выходной газовой магистралью и с камерой сгорания авиационного двигателя. Суммарная полезная мощность газовой турбины авиационного двигателя и турбодетандера через понижающий редуктор передается электрогенератору.

Недостатками патента является применение трех систем управления - основной, с дозатором газа, подаваемого в камеру сгорания, системы управления РСА.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является газотурбодетандерная энергетическая установка (патент РФ №2096640 «Способ работы газотурбодетандерной установки», F02C 6/18, F25B 27/02, приоритет от 30.11.1994) на газораспределительной станции ГРС, содержащая магистральный газопровод высокого давления, выходную газовую магистраль, обводную магистраль, снабженную регулятором давления, дополнительный теплообменник, теплообменник - регенератор предварительного подогрева газа высокого давления, турбодетандер с РСА, теплообменник-утилизатор, электрогенератор, систему управления, регулятор топлива, редукционное устройство на обводной магистрали, авиационный газотурбинный двигатель, включающий компрессор, камеру сгорания, силовую газовую турбину. Магистральный газопровод высокого давления соединен через дополнительный теплообменник подогрева газа и теплообменник-регенератор с входом турбодетандера, а также через редукционное устройство с выходной газовой магистралью. Теплообменник-утилизатор установлен в выхлопном газоходе газовой турбины. Выход турбодетандера связан с выходной газовой магистралью через дополнительный теплообменник, а также с камерой сгорания авиационного газотурбинного двигателя. Роторы силовой газовой турбины и турбодетандера имеют общий вал с электрогенератором. При изменении давления газа в магистральном газопроводе высокого давления, система управления изменяет положение лопаток РСА и обеспечивает поддержание постоянного давления газа в выходной газовой магистрали и в камере сгорания авиадвигателя.

Данное техническое решение принято за прототип изобретения.

Для прототипа характерны следующие недостатки:

- число оборотов турбодетандера ниже оптимальных (20000-30000 об/мин), что усложняет его конструкцию и повышает стоимость;

- роторы турбодетандера и силовой газовой турбины связаны с ротором электрогенератора через понижающий редуктор, что снижает надежность газотурбодетандерной энергетической установки;

- имеет недостаточно высокую тепловую экономичность и электрическую мощность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание мощной и высокоэкономичной газотурбогенераторной энергетической установки, вырабатывающей электроэнергию на газораспределительных станциях магистральных газопроводов.

Поставленная задача решается тем, что она содержит турбодетандер первой ступени расширения газа с регулируемым сопловым аппаратом, газотурбинную установку с компрессором низкого давления, камерой сгорания, газовой турбиной, электрогенератор, трубопровод топливного газа, выходную газовую магистраль, обводную магистраль с редукционной установкой, систему управления, теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления, теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали, при этом магистральный газопровод высокого давления через теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход турбодетандера связан трубопроводом топливного газа с камерой сгорания, а также с выходной газовой магистралью через теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали, кроме того, магистральный газопровод высокого давления связан с выходной газовой магистралью через обводную магистраль, снабженную редукционной установкой, причем она дополнительно снабжена компрессором высокого давления, дополнительным турбодетандером второй ступени расширения газа и промежуточным подогревателем газа - воздухоохладителем, кроме того, она снабжена регенератором, воздуховодом, а теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления и теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали выполнены утилизационными, промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель установлен в воздуховоде между компрессорами низкого и высокого давления, при этом выход компрессора низкого давления соединен воздуховодом через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель с входом компрессора высокого давления, выход которого через регенератор и камеру сгорания связан с входом газовой турбины, а ее выход через выхлопной газоход и установленные в нем регенератор, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления и утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали связан с атмосферой; промежуточный подогреватель газа -воздухоохладитель служит для промежуточного подогрева газа между турбодетандерами первой и второй ступенями расширения газа; при этом вход турбодетандера второй ступени расширения газа соединен газопроводом топливного газа с камерой сгорания, а его выход соединен с выходной газовой магистралью через утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали; выход компрессора высокого давления соединен с газовой турбиной через регенератор и камеру сгорания; система управления связана импульсными линиями с выходной газовой магистралью и с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера первой ступени расширения; роторы турбодетандеров первой и второй ступеней расширения связаны общим валом с ротором компрессора низкого давления, а роторы компрессора высокого давления и газовой турбины связаны общим валом с ротором электрогенератора.

На Фиг. 1 приведена схема газотурбодетандерной энергетической установки ГРС магистральных газопроводов.

Она содержит магистральный газопровод высокого давления 1, турбодетандер первой ступени расширения газа 2, промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3, воздуховод 4, турбодетандер второй ступени расширения газа 5, общий вал 6, компрессор низкого давления 7, компрессор высокого давления 8, выхлопной газоход 9, газовую турбину 10, силовой вал 11, электрогенератор 12, регенератор 13, камеру сгорания 14, газопровод топливного газа 15, трубопровод подогретого газа высокого давления 16, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17, утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18, выходную газовую магистраль 19, обводную магистраль с редукционной установкой 21, систему управления 22.

Магистральный газопровод высокого давления 1 соединен через утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 с входом турбодетандера первой ступени расширения газа 2, имеющим регулирующий сопловой аппарат (РСА). Его выход через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3 связан с входом турбодетандера второй ступени расширения газа 5, а также соединен газопроводом топливного газа 15 с камерой сгорания 14. Выход второй ступени расширения газа 5 связан по газу через утилизационный теплообменник подогрева газа 18 с выходной газовой магистралью 19 и с потребителями природного газа.

Выход компрессора низкого давления 7 связан воздуховодом 4 через промежуточный подогреватель газа - воздухоохладитель 3 с входом компрессора высокого давления 8, выход которого через регенератор 13 и камеру сгорания 14 соединен с входом газовой турбины 10. Ее выход выхлопным газоходом 9 через утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 и утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18 связан с атмосферой. Роторы турбодетандера первой ступени расширения газа 2, турбодетандера второй ступени расширения газа 5 и компрессора низкого давления 7 соединены общим валом 6. Роторы компрессора высокого давления 8, газовой турбины 10 и электрогенератора 12 соединены силовым валом 11. Магистральный газопровод высокого давления 1 связан обводной магистралью 21, снабженной редукционной установкой, с выходной газовой магистралью 19. Система управления 22 связана импульсными линиями с выходной газовой магистралью 19 и с регулирующим сопловым аппаратом турбодетандера первой ступени расширения газа 2.

Газотурбодетандерная энергетическая установка газораспределительной станции работает следующим образом. Природный газ высокого давления из магистрального газопровода 1, с давлением (5-7) МПа, нагревается в утилизационном теплообменнике предварительного подогрева газа высокого давления 17 и по трубопроводу подогретого газа высокого давления 16 поступает на вход турбодетандера первой ступени расширения газа 2, расширяется в нем со снижением давления и температуры, затем он подогревается в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3 за счет теплоты воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления 7. Большая часть газа, подогретого в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3, и поступает в турбодетандер второй ступени расширения газа 5, а его меньшая часть по газопроводу топливного газа 15 подается в камеру сгорания 14. Газ, расширившийся в турбодетандере второй ступени расширения газа 5, направляется через утилизационный теплообменник подогрева газа выходной газовой магистрали 18 и выходную газовую магистраль 19 к потребителям природного газа. Полезная работа, полученная при расширении газа в турбодетандере первой ступени расширения газа 2 и в турбодетандере второй ступени расширения газа 5, используется для привода компрессора низкого давления 7 через общий вал 6.

Воздух, сжатый в компрессоре низкого давления 7 и охлажденный в промежуточном подогревателе газа - воздухоохладителе 3, по воздуховоду 4 подается на вход компрессора высокого давления 8, сжимается в нем, затем подогревается в регенераторе 13 и поступает в камеру сгорания 14, где сжигается топливный газ, подводимый по газопроводу топливного газа 15. Продукты его сгорания расширяются в газовой турбине 10 с совершением полезной работы. Полезная работа газовой турбины 10 используется для привода компрессора высокого давления 8 и электрогенератора 12, вырабатывающего электроэнергию. Отработавшие в газовой турбине 10 продукты сгорания по выхлопному газоходу 9 через регенератор 13, утилизационный теплообменник предварительного подогрева газа высокого давления 17 и утилизационный теплообменник подогрева газа 18 выходной газовой магистрали сбрасываются в атмосферу. Теплота отработавших газов газовой турбины 10 используется для подогрева сжатого воздуха в регенераторе 13, подогрева природного газа в утилизационном теплообменнике предварительного подогрева газа высокого давления 17 и для подогрева газа, подаваемого потребителям в утилизационном теплообменнике подогрева газа выходной газовой магистрали 18. В случае необходимости, природный газ из магистрального газопровода 1 по обводной магистрали 21, снабженной редукционной установкой, направляется к потребителям через выходную газовую магистраль 19.

При изменении давления в магистральном газопроводе высокого давления 1, система управления 22 за счет воздействия на сопловой регулирующий аппарат турбодетандера первой ступени расширения газа 2 поддерживает постоянное давление природного газа в выходной газовой магистрали 19 и в газопроводе топливного газа 15 газотурбодетандерной энергетической установки.

Соединение роторов турбодетандера первой ступени расширения газа 2, турбодетандера второй ступени расширения газа 5 и компрессора низкого давления 7 общим валом 6 позволяет увеличить их обороты до 20000-30000 об/мин, уменьшить число ступеней и стоимость турбодетандеров первой ступени расширения газа 2 и второй ступени расширения газа 5, компрессора низкого давления 7, а также повысить их КПД.

Привод электрогенератора 12 от вала газовой турбины 10 позволяет отказаться от использования понижающего редуктора, повысить надежность и ремонтопригодность установки.

Применение системы управления 22 давлением газа позволяет при изменении давления газа в магистральном газопроводе 1 поддерживать постоянным давление газа в выходной газовой магистрали 19 и в камере сгорания 14 газотурбодетандерной энергетической установки.

Применение регенератора 13 и утилизационных теплообменников предварительного подогрева газа высокого давления 17 и подогрева газа выходной газовой магистрали 18 позволяет значительно увеличить электрический КПД газотурбодетандерной энергетической установки.

Применение промежуточного подогревателя газа - воздухоохладителя 3 позволяет увеличить полезную работу турбодетандера второй ступени расширения газа 5, мощность и расход воздуха компрессора низкого давления 7, что позволяет увеличить электрическую мощность газотурбодетандерной энергетической установки.

Размещение промежуточного подогревателя газа - воздухоохладителя 3 между компрессорами низкого и высокого давления позволяет увеличить КПД и электрическую мощность газотурбодетандерной энергетической установки.

Все вышеперечисленные факторы позволяют реализовать поставленную техническую задачу, а именно, повысить мощность и экономичность газотурбодетандерной энергетической установки газораспределительной станции.

1. Газотурбинная установка повышенной эффективности, содержащая газификатор угля, систему очистки продуктов газификации, регенеративные теплообменники, камеру сгорания, газовую турбину, воздушный многоступенчатый турбокомпрессор со смесительными камерами, установленными между ступенями и выполненными в виде кольцевых цилиндрических полостей, размещенных в газовом тракте многоступенчатого компрессора симметрично относительно его оси, причем размеры смесительных камер выполнены увеличенными в радиальном направлении размерами по сравнению с размером корпуса примыкающей ступени компрессора и каждая смесительная камера снабжена средствами впрыска жидкости, сепарации и вывода ее неиспарившейся части, при этом 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, отличающаяся тем, что в качестве охлаждающей жидкости использован антифриз, а 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, при этом 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.

2. Газотурбинная установка повышенной эффективности по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве антифриза использован 20-60% раствор этиленгликоля в воде или пропиленгликоля, имеющих температуру кипения выше, чем температура кипения воды при одних и тех же давлениях.

3. Газотурбинная установка повышенной эффективности по п. 1, отличающаяся тем, что в ней дополнительно установлен автономный трубопровод подачи воды в газификатор через регулировочный вентиль, регенеративный воздухоподогреватель и теплообменник для охлаждения синтез-газа, установленный перед фильтром тонкой очистки, при этом перед фильтром тонкой очистки и на выходе газификатора установлены контрольные приборы для измерения температуры синтез-газа.



 

Похожие патенты:

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.

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.

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.

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.

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.

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