Стехиометрическая парогазовая установка

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка состоит из двух контуров - внутреннего и внешнего и газоотводящего канала. Во внутреннем контуре расположен турбокомпрессор, во внешнем - теплообменник, охлаждающий воздух высокого давления, используемый для охлаждения турбокомпрессора. На выходе из внешнего контура установлена свободная турбина, на выходе из внутреннего контура - газовый канал, в котором расположены два теплообменника, преобразующие энергию выхлопных газов в энергию пара. Рабочим телом первого теплообменника является вода, второго - фреон. Водяной пар подается в камеру смешения, расположенную между камерой сгорания и турбиной турбокомпрессора. Это позволяет поддерживать в камере сгорания стехиометрический состав топливовоздушной смеси. Парообразный фреон подается в паровую турбину, которая является элементом замкнутого контура паросиловой установки. Изобретение позволяет повысить эффективный кпд установки. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Многочисленные публикации посвящены газотурбинным установкам (ГТУ) различного назначения, используемым в авиации, наземном и морском транспорте, на газоперекачивающих станциях. В последние годы значительно возрос интерес к энергетическим ГТУ и ПТУ (парогазовые установки), их особенностям и работе на электростанциях. Парогазовые установки - единственные энергетические установки, которые в конденсационном режиме работы отпускают электроэнергию с эффективным к.п.д. более 58% (Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: Учебное пособие для вузов / Под ред. С.В. Цанаева - М.: Издательство МЭИ, 2002. С. 3).

Целью изобретения является повышение эффективного к.п.д. парогазовых установок до 60÷65%.

Известна стехиометрическая парогазовая установка, состоящая из входного устройства, внутреннего контура, внутри которого расположен турбо-компрессор с камерой смешения, с газовым каналом, соединяющим контур с атмосферой, содержащим теплообменник-испаритель, с одной стороны соединенный с источником питательной воды, а с другой - с камерой смешения, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменника-регенератора, расположенного за турбокомпрессором и соединяющего свободную турбину с воздушной полостью высокого давления (патент RU 2287708, 2006 г.).

Известны газотурбинные двигатели, у которых за свободной турбиной устанавливается диффузорный патрубок, позволяющий повышать перепад давлений в турбине больше, чем располагаемый (Нечаев Ю.Н., Федоров P.M. Теория авиационных газотурбинных двигателей. Ч. 2. М.: Машиностроение, 1978, с. 268, рис. 19.2).

Известны газовые эжекторы, способные понижать статическое давление на выходе из реактивного сопла (Г.Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976, с. 487, рис. 9.4).

Поставленная цель достигается тем, что в стехиометрической парогазовой установке, состоящей из входного устройства, внутреннего контура, внутри которого расположен турбокомпрессор с камерой смешения, с газовым каналом, соединяющим контур с атмосферой, содержащим теплообменник-испаритель, с одной стороны соединенный с источником питательной воды, а с другой - с камерой смешения, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменника-регенератора, расположенного за турбокомпрессором и соединяющего свободную турбину с воздушной полостью высокого давления, установлен вентилятор, нагнетающий воздух во внутренний и внешний контуры, внутри газового канала расположен теплообменник конденсатор, соединенный с утилизатором тепловой энергии, свободная турбина соединена с газовым каналом на участке между теплообменником-испарителем и теплообменником-конденсатором, во внешнем контуре расположен теплообменник, канал высокого давления которого соединяет воздушную полость за компрессором с воздушными каналами турбины турбокомпрессора для ее охлаждения.

Сущность изобретения заключается в использовании внутренних термодинамических циклов, которые при тех же физических ограничениях позволяют увеличивать количество подводимой и уменьшать количество отводимой теплоты в тепловой машине (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5÷10).

В ПГУ предпочтительно иметь:

коэффициент избытка воздуха в камере сгорания менее 1,1;

степень повышения давления воздуха в вентиляторе более 7;

суммарную степень повышения давления воздуха более 40;

внутри теплообменника-регенератора - эжектор;

керамические сопловые аппараты в турбине турбокомпрессора;

паросиловую установку в качестве утилизатора тепловой энергии.

На фиг. 1 показана стехиометрическая ПГУ.

на фиг. 2 показан термодинамический цикл стехиометрической ПГУ;

на фиг. 3 показаны зависимости параметров стехиометрической ПГУ от суммарной степени повышения давления воздуха.

Стехиометрическая ПГУ (фиг. 1) состоит из входного устройства 1, вентилятора 2, внутреннего и внешнего контуров, газового канала 3, утилизатора тепловой энергии.

Во внутреннем контуре расположены: турбокомпрессор 4, полость низкого давления теплообменника-регенератора 5, эжектор 6 (расположен внутри теплообменника 5 - охватывает выходное сечение турбокомпрессора). Между камерой сгорания и турбиной турбокомпрессора расположена камера смешения 7.

Во внешнем (втором) контуре расположены: теплообменник 8, полость высокого давления теплообменника-регенератора 5, свободная турбина 9. Внутренние каналы теплообменника 8 с одной стороны соединены с воздушной полостью за компрессором турбокомпрессора, с другой - с воздушными каналами турбины турбокомпрессора.

В газовом канале 3, соединяющем полость низкого давления теплообменника 5 с атмосферой, расположены: теплообменник-испаритель 10 и теплообменник-конденсатор 11. Полость высокого давления теплообменника-регенератора 5 соединена с газовым каналом 3 через турбину 9 на участке между теплообменниками 10 и 11.

Утилизатор тепловой энергии состоит из теплообменника-конденсатора 11, паровой турбины 12, теплообменника-конденсатора 13 и насоса (н), которые закольцованы. Внутри закольцованной системы циркулирует фреон R22. Теплообменник 13 омывается проточной водой, часть которой насосом высокого давления (н) подается в теплообменник 10.

Вентилятор 2 соединен с турбокомпрессором 4 через редуктор (Р).

Работа стехиометрической ПГУ осуществляется следующим образом. Турбокомпрессор 4 приводит в действие вентилятор 2, который нагнетает воздух во внутренний и внешний контуры установки.

Во внутреннем контуре к воздуху подводится энергия топлива Q1, часть которой в виде теплоты (через теплообменник 8) и работы (через вентилятор 2) передается во внешний контур установки. Воздух, отбираемый от компрессора для охлаждения турбины, проходит через канал высокого давления теплообменника 8 и отдает часть теплоты воздуху внешнего контура. Вентилятор 2, сжимает воздух, часть которого поступает во внешний контур. Оставшаяся теплота в виде энергии истекающего газа поступает в полость низкого давления теплообменника-регенератора 5.

Сжатый и нагретый воздух внешнего контура поступает в полость высокого давления теплообменника-регенератора 5.

Работа теплообменника-регенератора осуществляется следующим образом. Горячий газ из турбокомпрессора истекает в эжектор 6. Статическое давление в плоскости выходного сечения турбокомпрессора ниже, чем давление в полости низкого давления теплообменника 5, которое близко к атмосферному. В результате разницы давлений снаружи и внутри эжектора 6 происходит циркуляция газа внутри полости низкого давления теплообменника 5, которая интенсифицирует теплообменные процессы. Технические возможности теплообменника-регенератора определяются техническими возможностями циркуляционного теплообменника (патент RU 2607916, 2017 г.), т.е. при определенных условиях разница в температурах газа и воздуха, выходящих из теплообменника-регенератора 5, может быть сведена к минимуму (20÷30 градусов). Еще один плюс от применения теплообменника-регенератора 5 - это возможность использования эффекта перерасширения газа в турбине, когда статическое давление за турбиной искусственным образом понижается ниже атмосферного с последующим его повышением с отводом теплоты.

Воздух высокого давления, нагретый в теплообменнике 5, поступает в ресивер турбины 9, где расширяется - совершает работу, после чего истекает в газовый канал 3.

Газ низкого давления из теплообменника 5 поступает в газовый канал 3, где часть теплоты газа отдается теплообменнику-испарителю 10. В канале высокого давления теплообменника 10 движется вода, которая при нагреве превращается в насыщенный пар. Пар поступает в камеру смешения 7 турбокомпрессора. Количество воды (пара) выбирается из условия обеспечения стехиометрического состава топливовоздушной смеси в камере сгорания турбокомпрессора.

После теплообменника 10 газ, движущийся по каналу 3, смешивается с воздухом, истекающим из турбины 9. Образовавшаяся смесь (выхлопные газы) поступает в теплообменник-конденсатор 11. В теплообменнике-конденсаторе 11 происходит передача теплоты выхлопных газов фреону R22, который циркулирует в канале высокого давления теплообменника 11. При охлаждении выхлопных газов выделяется конденсат (вода, используемая в теплообменнике 10), который вместе с выхлопными газами удаляется в атмосферу.

Работа утилизатора теплоты осуществляется следующим образом.

Критическим давлением и критической температурой фреона R22 являются: Ркр=5 МПа и Ткр=96°С, соответственно. Фреон под критическим давлением насосом (н) подается в канал высокого давления теплообменника 11, где нагревается до критической температуры. В паровой турбине 12 фреон расширяется до давления, при котором происходит его конденсация в теплообменнике 13. Турбина 12 совершает работу. Теплота, выделившаяся при конденсации, отводится проточной водой (начальная температура ~ 15°С; конечная ~ 30°С). Охлажденный фреон сжимается насосом (н). Цикл повторяется.

Питательная вода насосом (н) подается в теплообменник-испаритель 10.

На фиг. 2 в Р-υ координатах показан термодинамический цикл стехиометрической ПГУ (фиг. 1). Цикл состоит из внешнего цикла 1 (цикл Брайтона) и двух внутренних циклов: 2 (цикл Брайтона) и 3 (цикл Ренкина). Внешний цикл имеет энергообмен с внешней средой, внутренние - с внешним циклом. К внешнему циклу подводится теплота Q1, отводится - Qr. Термический к.п.д. стехиометрической ПГУ определяется как ηt=1-Qr/Q1.

Сущность изобретения заключается в том, что одновременно используются два фактора повышающие эффективность тепловой машины: а) стехиометрический состав топливовоздушной смеси; б) внутренние термодинамические циклы. Стехиометрический состав топливовоздушной смеси позволяет максимально увеличить количество подводимой теплоты Q1. Внутренние термодинамические циклы позволяют максимально уменьшить количество отводимой теплоты Qr. И то, и другое повышает термический к.п.д. тепловой машины и, как следствие, - эффективный к.п.д.

Стехиометрический состав топливовоздушной смеси в камере сгорания ПГУ обеспечивается наличием в схеме ПГУ (фиг. 1) камеры смешения 7, которая защищает лопатки турбины от перегрева (тепловая энергия распределяется на большую массу газа) при любом составе топливовоздушной смеси, включая стехиометрический. Применение камеры смешения позволяет повысить максимальную температуру газа во внешнем цикле (фиг. 2) до температуры газа в камере сгорания Ткс*, которая выше температуры газа перед турбиной Тг* (фиг. 2). Из термодинамики известно, что повышение максимальной температуры газа в цикле Брайтона повышает его работу и к.п.д., что, собственно, и происходит в стехиометрической ПГУ.

Эффективность применения внутренних термодинамических циклов -прямое следствие законов термодинамики. В соответствии с первым законом термодинамики теплота Q1 тратится на работу внешнего цикл 1, внутренних циклов 2 и 3 (работа циклов определяется с учетом расхода рабочих тел), тепловые потери Qr. При отсутствии внутренних циклов 2 и 3 та же теплота Q1 будет тратиться на работу внешнего цикла 1 и потери Qr, из чего следует, что при отсутствии внутренних циклов потери Qr увеличиваются на величину работы этих циклов.

Тепловые потоки, имеющие место в стехиометрической ПГУ, показаны на фиг. 2. К внешнему циклу подводится теплота Q1 (процесс к-г). Часть этой теплоты преобразуется в работу Lц1, которая используется для сжатия рабочих тел внутренних циклов, в том числе в насосах (н). Другая часть теплоты (Q1-2 и Q1-3) передается во внутренние циклы, в которых преобразуется в работу Lц2 и Lц3. Нереализованная во внутренних циклах теплота Q2-1 и Q3-1 возвращается (условно) внешнему циклу, после чего рассеивается в атмосфере в виде теплоты Qr. Небольшая часть теплоты Q1-1 регенерируется во внешнем цикле.

На фиг. 3 показаны характеристики стехиометрической ПГУ (фиг. 1) в зависимости от суммарной степени повышения давления воздуха π. Условные обозначения: πВ - степень повышения давления воздуха в вентиляторе, πк - степень повышения давления воздуха в компрессоре; m - степень двухконтурности; mв - относительный расход воды (по отношению к расходу воздуха через внутренний контур); mф - относительный расход фреона (аналогично); Тв* - температура воздуха на выходе из вентилятора; Тк* - температура воздуха на выходе из компрессора; Ткс* - температура газа на выходе из камеры сгорания; Тг* - температура газа на входе в турбину турбокомпрессора; Твг* - температура воздуха на входе в свободную турбину; tвх - температура газа на входе в утилизатор тепловой энергии; tвых - температура газа на выходе из утилизатора тепловой энергии; ηe∑ - суммарный эффективный к.п.д. ПГУ, ηе - эффективный к.п.д. ПГУ (без утилизатора тепловой энергии).

Исходные данные ПГУ: внешние условия стандартные; топливо - керосин; рабочее тело утилизатора энергии - фреон R22; коэффициент избытка воздуха в камере сгорания - 1,05; степень повышения давления в вентиляторе - 8; температура газа перед турбиной - 2400 К; температура лопаток первой ступени турбины - 1250 К; коэффициент интенсивности охлаждения лопаток турбины - 0,65; отбор воздуха на охлаждение турбины - 18%; к.п.д. вентилятора - 0,83; к.п.д. компрессора - 0,83; к.п.д. турбины турбокомпрессора - 0,96; к.п.д. свободной турбины - 0,95; к.п.д. паровой турбины - 0,9; механический к.п.д. - 0,99; полнота сгорания топлива - 0,99; коэффициент восстановления давления в камере сгорания - 0,98; коэффициенты восстановления давления в теплообменниках - 0,98.

Видно (фиг. 3), что метод внутренних термодинамических циклов (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // М. - Конверсия в машиностроении. 2006, №3. С. 5÷10) в сочетании с авиационными технологиями ГТД пятого-шестого поколений (охлаждаемые монокристаллические лопатки, керамические сопловые аппараты, технология «blisk», высокие к.п.д. лопаточных машин и д.р.) позволяет создавать тепловые машины с эффективным к.п.д. 65 процентов и более, что дает основание считать стехиометрические ПГУ прорывной технологией в области теплоэнергетики.

Потребности общества в обеспечении энергией постоянно растут притом, что возможности увеличения добычи углеводородных топлив достигли своих пределов. В этих условиях создание энергосберегающих технологий становится актуальной задачей. В России, по мнению автора, следует принять программу по разработке и внедрению в народное хозяйство стехиометрических ПГУ. Это даст возможность при тех же расходах топлива повысить выработку электроэнергии на теплоэлектростанциях в 2÷3 раза.

1. Стехиометрическая парогазовая установка, состоящая из входного устройства, внутреннего контура, внутри которого расположен турбокомпрессор с камерой смешения, с газовым каналом, соединяющим контур с атмосферой, содержащим теплообменник-испаритель, с одной стороны соединенный с источником питательной воды, а с другой - с камерой смешения, внешнего контура, на выходе которого установлена свободная турбина, теплообменника-регенератора, расположенного за турбокомпрессором и соединяющего свободную турбину с воздушной полостью высокого давления, отличающаяся тем, что содержит вентилятор, нагнетающий воздух во внутренний и внешний контуры, внутри газового канала расположен теплообменник конденсатор, соединенный с утилизатором тепловой энергии, свободная турбина соединена с газовым каналом на участке между теплообменником-испарителем и теплообменником-конденсатором, во внешнем контуре расположен теплообменник, канал высокого давления которого соединяет воздушную полость за компрессором с воздушными каналами турбины турбокомпрессора для ее охлаждения.

2. Стехиометрическая парогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что коэффициент избытка воздуха в камере сгорания менее 1,1.

3. Стехиометрическая парогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что степень повышения давления воздуха в вентиляторе более 7, суммарная степень повышения давления воздуха более 40.

4. Стехиометрическая парогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что внутри теплообменника-регенератора расположен газовый эжектор.

5. Стехиометрическая парогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что сопловые аппараты турбины турбокомпрессора - керамические.

6. Стехиометрическая парогазовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что утилизатор тепловой энергии - паросиловая установка.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиационного двигателестроения, а именно к подводу охладителя к валу авиационного газотурбинного двигателя, и может быть использовано в транспортном машиностроении.

Изобретение относится к твердым телам, имеющим искусственные пористые структуры, и касается низкопористого ауксетического листового материала. Конструкционный материал содержит конструкцию из структур с продолговатыми порами, причем каждая из структур с продолговатыми порами включает в себя одну или более субструктур, первое множество первых структур с продолговатыми порами и второе множество вторых структур с продолговатыми порами, причем каждая из первых и вторых структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось, большие оси первых структур с продолговатыми порами перпендикулярны большим осям вторых структур с продолговатыми порами, первые и вторые множества структур с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов выполнен чередующимся между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами, первые и вторые структуры с продолговатыми порами выполнены в форме двутавровых щелевых отверстий, так что пористость структур с продолговатыми порами ниже значения около 10%, и конструкция из структур с продолговатыми порами определяет элементарные ячейки, которые в качестве реакции на одноосное напряжение обеспечивают демонстрацию листовым материалом поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, в частности к малоразмерным газотурбинным двигателям летательных аппаратов. Газотурбинная силовая установка летательного аппарата содержит расположенные в корпусе воздухозаборный канал с полым центральным обтекателем, стойками и антиобледенительным устройством, двигатель с выходным валом, планетарный редуктор с механизмом переключения и стартер-генератор, расположенный в полости центрального обтекателя и выполненный в виде обратимой электрической машины, статор которой закреплен на корпусе, а ротор - через планетарный редуктор подключен к выходному валу двигателя.

Изобретение относится к области турбомашиностроения, а именно к авиадвигателестроению. Техническим результатом является увеличение жесткости соединения, что приводит к повышению прочности и надежности узла соединения в случае динамической нагруженности, а именно при воздействии вибраций, а также снижение массы узла соединения в целом.

Изобретение относится к области турбинных двигателей, а более конкретно к устройству (13) и способу временного увеличения мощности по меньшей мере первого турбинного двигателя (5A).

Изобретение относится к способу регулирования охлаждения масла и к устройству охлаждения масла в лопаточной машине. Способ регулирования охлаждения масла внутри устройства и устройство охлаждения масла лопаточной машины содержат первый теплообменник, установленный последовательно со вторым теплообменником.

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка, содержащая соединенные по ходу рабочего тела цикла Брайтона компрессор, камеру сгорания и турбину, выходной вал которой соединен с электрогенератором, статорные обмотки которого соединены с энергосистемой, дополнительно снабжена электрическим нагревателем и блоком питания электрического нагревателя, при этом электрический нагреватель расположен последовательно в контуре для нагрева рабочего тела цикла Брайтона, силовые входы электрического нагревателя соединены с силовыми выходами блока питания электрического нагревателя, силовой вход блока питания электрического нагревателя соединен с цепью статорной обмотки электрогенератора.

Изобретение относится к газотурбинным двигателям (ГТД) авиационного и наземного применения, в частности к опорам между роторами высокого и низкого давления. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение надежности работы опоры за счет исключения перекоса колец подшипника и снижение контактных напряжений между роликами и кольцами, следовательно, повышение грузоподъемности подшипника за счет полного контакта роликов с кольцами.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, к способам повышения ресурса и основных параметров за счет введения в конструкцию двигателя систем охлаждения турбин.

Изобретение относится к воздушному блокировочному кольцу в сборе и, в частности, к воздушному блокировочному кольцу в сборе, имеющему радиальное крепление. Воздушное блокировочное кольцо (40) в сборе содержит ближний конец и дальний конец, блокировочное кольцо, имеющее выступ, и опору блокировочного кольца, имеющую участок стенки.

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к элементам маслосистемы авиационного газотурбинного двигателя. Коробка приводных агрегатов содержит зубчатое колесо, патрубок, подшипники, центробежную крыльчатку с лопатками. Центробежная крыльчатка с лопатками содержит обечайку с возможностью образования внутренних полостей, окна для входа газомасляной смеси и выхода воздуха, сброса масла, лопатки выполнены разной длины и расположены под углами α и β к оси вращения зубчатого колеса. Кроме того, центробежная крыльчатка может содержать лопатки криволинейной формы. Кроме того, центробежная крыльчатка может содержать не менее двух последовательно расположенных ступеней разделения масла и воздуха. Выполнение предлагаемого изобретения позволяет улучшить технологию сборки, уменьшить габариты и массу коробки приводных агрегатов, повысить эффективность сепарирования масла. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергетике. Парогазовая установка состоит из двух контуров - внутреннего и внешнего и газоотводящего канала. Во внутреннем контуре расположен турбокомпрессор, во внешнем - теплообменник, охлаждающий воздух высокого давления, используемый для охлаждения турбокомпрессора. На выходе из внешнего контура установлена свободная турбина, на выходе из внутреннего контура - газовый канал, в котором расположены два теплообменника, преобразующие энергию выхлопных газов в энергию пара. Рабочим телом первого теплообменника является вода, второго - фреон. Водяной пар подается в камеру смешения, расположенную между камерой сгорания и турбиной турбокомпрессора. Это позволяет поддерживать в камере сгорания стехиометрический состав топливовоздушной смеси. Парообразный фреон подается в паровую турбину, которая является элементом замкнутого контура паросиловой установки. Изобретение позволяет повысить эффективный кпд установки. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх