Способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике. Способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси включает подачу в камеру сгорания выработанного перегретого водяного пара высокого давления, подачу его большей части в камеру сгорания, смешение меньшей части перегретого пара с природным газом, подачу и получение в первом адиабатическом каталитическом реакторе метаносодержащей парогазовой смеси, ее последовательный нагрев теплотой выхлопных газов газовой турбины, а затем теплом охлаждения камеры сгорания до температуры 620-680°С, повышение концентрации водорода в метаносодердащей парогазовой смеси выше 20% во втором адиабатическом каталитическом реакторе и ее подачу в качестве топлива в камеру сгорания газотурбинной установки. Способ реализуется в устройстве, содержащем компрессор, камеру сгорания с охлаждающей рубашкой, газовую турбину, трубопровод подачи перегретого пара в камеру сгорания, приводной агрегат, котел-утилизатор, включающий испаритель, пароперегреватель, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси, систему охлаждения продуктов сгорания и конденсации пара низкого давления, газопровод природного газа, паропровод пара высокого давления, смеситель, два адиабатических каталитических реактора. Изобретение позволяет повысить термодинамическую и экономическую эффективность установки, упростить ее конструкцию и повысить надежность. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к контактным газотурбинным установкам, используемым для привода газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов, или контактным энергетическим газотурбинным установкам.

Известен способ работы комбинированной газопаротурбинной установки STIG с подачей в камеру сгорания газовой турбины перегретого пара, вырабатываемого за счет утилизации тепла парогазовой смеси, отработавшей в газовой турбине. Впрыск пара увеличивает расход и теплоемкость парогазовой смеси, расширяемой в газовой турбине с увеличением ее мощности и КПД (Стырикович М.А., Фаворский О.Н., Батенин В.М. Парогазовые установки с впрыском пара ПГУ-STIG. Теплоэнергетика, №10, 1995 г.). Недостатками цикла STIG являются сброс в атмосферу всей охлажденной парогазовой смеси и безвозвратные потери химически очищенной воды.

Известен способ работы газотурбинной установки (Патент RU 43917 U1, кл. F02C 3/00, 10.02.2004), в котором камера сгорания снабжена рубашкой охлаждения, которая также используется как термохимический реактор, применяемый для превращения исходного углеводородного топлива в водородсодержащую топливную смесь. Но этот способ работы газотурбинной установки технически сложно реализуем и может привести к снижению эксплуатационной надежности и увеличению стоимости установки.

Известен также способ работы газотурбинной установки, содержащей компрессор, камеру сгорания, газовую турбину (Патент RU №2467187, F02C 3/28, 20.11.2012), включающий подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и метаносодержащей парогазовой смеси, расширение продуктов сгорания в газовой турбине, утилизацию их теплоты с образованием водяного пара высокого давления, охлаждением продуктов сгорания и конденсацией содержащегося в них водяного пара низкого давления, направление водяного пара высокого давления в газотурбинную установку, причем природный газ последовательно смешивают с водяным паром высокого давления, нагревают в первом теплообменнике продуктами сгорания газовой турбины, пропускают через каталитический реактор с образованием метаносодержащей парогазовой смеси, нагревают во втором теплообменнике, пропускают через второй адиабатический каталитический реактор и подают в камеру сгорания; смесь природного газа и водяного пара высокого давления нагревают продуктами сгорания газовой турбины до 350-530°С и подают в первый каталитический реактор, где получают метаносодержащий газ с концентрацией водорода от 1 до 3%, затем его нагревают продуктами сгорания газовой турбины до 620-680°С и подают во второй адиабатический каталитический реактор, в котором концентрация водорода в метаносодержащем газе становится больше 20%, первый и второй адиабатические каталитические реакторы содержат металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения. Этот способ работы газотурбинной установки принят в качестве прототипа к изобретению.

Предложенный в прототипе способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси имеет следующие недостатки:

- он практически не реализуем при современном уровне техники, так как для получения в адиабатическом каталитическом реакторе метаносодержащей смеси с повышенной концентрацией водорода необходим его предварительный нагрев перед адиабатическим каталитическим реактором до 620-680°С, что будет возможно только в том случае, если температура продуктов сгорания на выходе из газовой турбины будет не ниже 700-750°С, в то время как у лучших современных газовых турбин температура продуктов сгорания на выходе из газовых турбин не превышает 600°С. Поэтому для реализации способа-прототипа необходимо производить нагрев метаносодержащей смеси перед вторым адиабатическим каталитическим реактором до температур 620-680°С, что связано с необходимостью применения теплообменника со сжиганием в нем дополнительного количества топлива. Это приведет к снижению экономичности газотурбинной установки;

- через адиабатические каталитические реакторы в способе-прототипе пропускают всю образовавшуюся метаносодержащую смесь, что вызовет повышение стоимости каталитических реакторов и газотурбинной установки;

- котел-утилизатор в прототипе снабжен двумя конвективными теплообменниками нагрева метаносодержащей смеси, что повышает его стоимость.

Технический результат, получаемый в предлагаемом новом способе работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси, связан с повышением термодинамической эффективности, надежности и снижением стоимости газотурбинной установки.

Данный технический результат в предлагаемом способе работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси достигается тем, что в камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь, образующиеся в ней продукты сгорания расширяют в газовой турбине, теплоту продуктов сгорания используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, при этом конденсируют пар низкого давления, содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, конденсат пара используют для выработки перегретого пара высокого давления, подают его в газовую турбину, смешивают пар высокого давления с природным газом, полученную смесь природного газа и пара подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, эту смесь нагревают теплом расширенных продуктов сгорания, пропускают через второй адиабатический каталитический реактор и подают ее в качестве топлива в камеру сгорания, причем большую часть перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, а его меньшую часть смешивают с природным газом и пропускают через первый адиабатический каталитический реактор, образовавшуюся метаносодержащую парогазовую смесь последовательно нагревают теплотой газов, расширенных в газовой турбине, а затем теплотой, получаемой при охлаждении камеры сгорания, и с температурой 620-680°С эту смесь направляют во второй каталитический реактор, в котором долю водорода в метаносодердащей парогазовой смеси повышают больше 20% и подают обогащенную водородом парогазовую смесь в камеру сгорания.

Предлагаемый способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси может быть реализован в газотурбиной установке, содержащей компрессор, камеру сгорания, снабженную охлаждающей рубашкой, газовую турбину, трубопровод подачи перегретого пара в камеру сгорания, приводной агрегат, например, нагнетатель природного газа, котел-утилизатор, включающий испаритель, пароперегреватель, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси, систему охлаждения продуктов сгорания и конденсации пара низкого давления, газопровод природного газа, паропровод пара высокого давления, смеситель природного газа и перегретого пара высокого давления, два адиабатических каталитических реактора; при этом ротор газовой турбины связан валами с компрессором и приводным агрегатом, выход газовой турбины соединен по продуктам сгорания через котел-утилизатор с атмосферой, вход смесителя природного газа и перегретого пара высокого давления соединен с газопроводом природного газа и с паропроводом высокого давления, а его выход через первый адиабатический каталитический реактор, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси и второй адиабатический каталитический реактор связан с камерой сгорания, причем выход пароперегревателя соединен трубопроводом перегретого пара с камерой сгорания, а также с входом смесителя природного газа и перегретого пара высокого давления, связанного с трубопроводом природного газа, выход смесителя природного газа и перегретого пара высокого давления связан через первый адиабатический каталитический реактор и последовательно включенные конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси котла-утилизатора и охлаждающую рубашку камеры сгорания с входом второго адиабатического каталитического реактора, выход которого связан с камерой сгорания.

На Фиг. 1 приведена тепловая схема устройства газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси, где: 1 - внешний охладитель конденсата, 2 - бак конденсата, 3 - сепаратор конденсата, 4 - химводоочистка, 5 - оросительное устройство, 6 - котел-утилизатор, 7 - пароперегреватель, 8 - смеситель природного газа и перегретого пара высокого давления, 9 - первый адиабатический реактор, 10 - конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси, 11 - паропровод перегретого пара высокого давления, 12 - трубопровод подогретой метаносодержащей парогазовой смеси, 13 - обечайка камеры сгорания 15, 14 - газопровод подвода природного газа к смесителю 8 природного газа и перегретого пара высокого давления, 15 - камера сгорания, 16 - пусковой газопровод природного газа, 17 - воздушный компрессор, 18 - адиабатический каталитический реактор, 19 - газовая турбина, 20 - приводной агрегат, например нагнетатель природного газа, 21 - трубопровод обогащенной водородом метаносодержащей парогазовой смеси.

Способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси и устройство для его осуществления работают следующим образом. В воздушном компрессоре 17 сжимают воздух, подают его и обогащенную метаносодержащую парогазовую смесь в камеру сгорания 15, сжигают ее, смешивают с большей частью перегретого пара, подводимого в камеру сгорания 15 по трубопроводу перегретого пара 11. Смесь продуктов сгорания и перегретого пара расширяют с совершением работы в газовой турбине 19. Ее полезную работу используют для приводного агрегата, например нагнетателя природного газа 20. Продукты сгорания, расширенные в газовой турбине 19, направляют в котел-утилизатор 6 и используют их тепло для испарения и выработки перегретого пара высокого давления в пароперегревателе 7. В смесь продуктов сгорания и перегретого пара, охлажденную в котле-утилизаторе 6 при выработке перегретого пара, через оросительное устройство 5 подают конденсат, охлажденный во внешнем охладителе конденсата 1, и за счет этого производят конденсацию пара низкого давления, содержащегося в парогазовой смеси. В сепараторе конденсата 3 конденсат отделяют от продуктов сгорания и подают в бак конденсата 2. Большую часть конденсата охлаждают во внешнем охладителе конденсата 1. Меньшую часть конденсата подают из бака конденсата 2 через химводоочистку 4 в котел-утилизатор 6 и используют для выработки в нем перегретого пара высокого давления. Его меньшую часть из пароперегревателя 7 по трубопроводу перегретого пара подают в смеситель 8 природного газа и перегретого пара высокого давления, куда по газопроводу 14 подают также природный газ. Образовавшуюся в смесителе 8 смесь перегретого пара высокого давления и природного газа направляют в первый адиабатический каталитический реактор 9 с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси с концентрацией водорода до 5%, эту смесь затем подают в конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси 10. Затем метаносодержащую парогазовую смесь подогревают до 650-700°С, охлаждая с ее помощью обечайку 13 (наружную поверхность) камеры сгорания 15. Нагретую в обечайке 13 метаносодержащую парогазовую смесь подают во второй адиабатический каталитический реактор 18, где получают обогащенную водородом до 20% метаносодержащую парогазовую смесь, которую затем подают в камеру сгорания 15 по трубопроводу обогащенной водородом метаносодержащей парогазовой смеси 21. В выходную часть камеры сгорания 15 с целью увеличения расхода рабочего тела в газовой турбине 19 по паропроводу перегретого пара высокого давления 11 подают большую часть перегретого пара высокого давления. В пусковом режиме работы установки в камеру сгорания 15 подают также природный газ по пусковому газопроводу природного газа 16.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют:

- подогревать метаносодержащую парогазовую смесь перед первым адиабатическим каталитическим реактором теплом перегретого пара высокого давления, затем последовательно нагревать эту смесь теплом расширенных продуктов сгорания, а также теплом охлаждения камеры сгорания, с последующей подачей метаносодержащей парогазовой смеси с температурой 650-700°С во второй адиабатический каталитический реактор;

- использовать типовые котлы-утилизаторы контактных газопаровых установок;

- обеспечивать эффективную утилизацию теплоты продуктов сгорания, вышедших из газовой турбины без дополнительного дожигания в них топлива;

- повысить термодинамическую и экономическую эффективность газотурбинной установки, упростить ее конструкцию и повысить надежность.

1. Способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси, согласно которому в ее камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержашую парогазовую смесь, образующиеся продукты сгорания расширяют в газовой турбине, теплоту продуктов сгорания используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, конденсируют пар низкого давления, содержащийся в охлажденных продуктах сгорания, конденсат пара используют для выработки перегретого пара высокого давления, подают его в газовую турбину, смешивают пар высокого давления с природным газом, полученную смесь природного газа и пара подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, эту смесь нагревают теплом расширенных продуктов сгорания, пропускают через второй адиабатический каталитический реактор и подают ее в качестве топлива в камеру сгорания, отличающийся тем, что большую часть перегретого пара высокого давления подают в камеру сгорания, а его меньшую часть смешивают с природным газом и пропускают через первый адиабатический каталитический реактор, образовавшуюся метаносодержашую парогазовую смесь последовательно нагревают теплотой газов, расширенных в газовой турбине, а затем теплотой, получаемой при охлаждении камеры сгорания, и с температурой 620-680°C эту смесь направляют во второй каталитический реактор, в котором долю водорода в метаносодердащей парогазовой смеси повышают больше 20%, обогащенную водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее компрессор, камеру сгорания с охлаждающей рубашкой, газовую турбину, трубопровод подачи перегретого пара в камеру сгорания, приводной агрегат, например нагнетатель природного газа, котел-утилизатор, испаритель, пароперегреватель, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси, систему охлаждения продуктов сгорания и конденсации пара низкого давления, газопровод природного газа, паропровод пара высокого давления, смеситель пара высокого давления и природного газа, два адиабатических каталитических реактора; ротор газовой турбины связан валами с компрессором и приводным агрегатом, выход газовой турбины соединен по продуктам сгорания через котел-утилизатор с атмосферой, вход смесителя пара высокого давления и природного газа соединен с газопроводом природного газа и с паропроводом высокого давления, его выход через первый адиабатический каталитический реактор, конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси и второй адиабатический каталитический реактор связан с камерой сгорания, причем выход пароперегревателя соединен с камерой сгорания, а также с входом смесителя пара высокого давления и природного газа, связанного с трубопроводом природного газа, выход этого смесителя связан через первый адиабатический каталитический реактор и последовательно включенные конвективный подогреватель метаносодержащей парогазовой смеси котла-утилизатора и охлаждающую рубашку камеры сгорания с входом второго адиабатического каталитического реактора, выход которого связан с камерой сгорания.