Способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки и устройство для его осуществления

 

Способ и устройство предназначены для уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки. Способ включает сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине. А также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Воздух после сжатия разделяют на два потока. Первый из которых с расходом 5...50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания. А второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания. Газотурбинная установка включает размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор. последний сообщен воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - с камерой сгорания. Воздушный тракт на выходе из компресора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания. 2 с. и 11 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к проблеме вредного экологического воздействия газотурбинных установок (ГТУ) на окружающую среду, в первую очередь, выбросов окислов азота.

Известен способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки, в котором воздух сжимают, например, в компрессоре, затем нагревают в камере сгорания, после чего продукты сгорания - горячие газы расширяют в турбине, а образовавшиеся в процессе сгорания окислы азота удаляют из выхлопных газов химическим путем с добавлением специальных реагентов.

Этот способ сложен и дорог, так как требует создания крупногабаритных дорогих очистительных выхлопных систем и значительного расхода химических реагентов.

Известен также способ уменьшения выбросов окислов азота из газотурбинной установки путем снижения интенсивности образования окислов азота в процессе сгорания топлива, например, за счет организации двух или более зон горения со ступенчатым подводом топлива. (см. А.Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", Москва, "Мир", 1986 г., стр. 485, рис. 11.6).

Этот способ значительно усложняет конструкцию камеры сгорания и управление процессом горения, особенно для тех ГТУ, в которых применен регенеративный подогрев сжатого воздуха перед подачей его в камеру сгорания остаточным теплом выхлопных газов. Очевидно, что экономичность такой ГТУ тем лучше, чем выше регенеративный подогрев воздуха и, следовательно, его температура на входе в камеру сгорания; но известно, что повышение температуры воздуха на входе в камеру сгорания резко повышает интенсивность образования окислов азота.

Известна газотурбинная установка, включающая размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - со входом в камеру сгорания. (см. А.Лефевр "Процессы в камерах сгорания ГТД", Москва, "Мир", 1986 г. , стр. 485, рис. 11.6) Задача изобретения - существенное снижение образования окислов азота в ГТУ с регенеративным подогревом сжатого воздуха перед камерой сгорания при обеспечении высокого КПД. При этом повышение эффективности ГТУ достигается тем, что воздух, подогреваемый в регенераторе, или его часть подают в дополнительную воздушную турбину.

Указанная задача достигается тем, что в способе уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки, включающем сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине, а также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания, в нем воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5. . . 50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

Новым здесь является то, что воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5...50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

В результате этого при повышении средней температуры воздуха на входе в камеру сгорания температура его на входе в зону горения обеспечивается на относительно низком уровне, что, соответственно, снижает интенсивность образования окислов азота.

Кроме того, воздух, направляемый непосредственно в зону горения камеры сгорания, можно частично регенеративно подогревать.

В зону горения камеры сгорания можно частично подмешивать подогретый воздух второго потока.

Часть воздуха после максимального регенеративного подогрева можно направлять в дополнительную воздушную турбину.

После регенеративного подогрева сжатого воздуха можно производить утилизацию остаточного тепла выхлопных газов в дополнительном тепловом контуре и управлять расходом топлива и соотношением передачи тепла в регенераторе и дополнительном тепловом контуре путем перераспределения расходов между двумя потоками сжатого воздуха на выходе из компрессора.

Применение предлагаемого способа возможно в сочетании с другими известными способами, что может усилить полезный эффект.

Указанная задача достигается также тем, что в газотурбинной установке, включающей размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - со входом в камеру сгорания, в ней воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания.

Новым в установке является то, что воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор - с зоной смешения камеры сгорания.

Воздушный тракт на выходе из регенератора может быть разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания.

Воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора может быть разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания.

Воздушный тракт на выходе из регенератора может быть разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной, турбины.

Дополнительная воздушная турбина может быть кинематически связана с основной, газовой, турбиной.

Газовоздушный регенератор может быть размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины.

На выходе из регенератора может быть размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода.

Дополнительный тепловой контур может быть размещен в низкотемпературной секции регенератора.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными признаками в заявленном техническом решении, что свидетельствует о его соответствии критерию "изобретательского уровня".

На фиг. 1 показана схема газотурбинной установки, реализующей способ уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки; на фиг. 2 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания; а на фиг. 3 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания; на фиг. 4 показана газотурбинная установка, у которой воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной турбины; на фиг. 5 показана газотурбинная установка, у которой газовоздушный регенератор размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины. на фиг. 6 показана газотурбинная установка, у которой на выходе из регенератора размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода; на фиг. 7 показана газотурбинная установка, у которой дополнительный тепловой контур размещен в низкотемпературной секции регенератора.

Газотурбинная установка включает размещенные последовательно по газовом тракту компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3, газовоздушный регенератор 4, сообщенный воздуховодом 5 по своему входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора 1, а воздуховодом 6 по выходу нагреваемого воздуха - с зоной смешения камеры сгорания 2. Воздушный тракт на выходе из компрессора 1 разделен воздуховодами 9 и 5 на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения 10 камеры сгорания 2, а второй через регенератор 4 - с зоной смешения 8 камеры сгорания 2. Компрессор 1 кинематически связан с турбиной 2, которая в свою очередь кинематически связана с потребителем мощности 11.

Воздушный тракт на выходе из регенератора 4 может быть разделен на два канал 12 и 6, один из которых сообщен с зоной горения 10, а другой - с зоной смешения 8 камеры сгорания 3.

Воздушный тракт после компрессора 1 в промежуточной зоне регенератора 4 может быть разделен на два канала, один из которых 13 сообщен со входом в зону горения 10 камеры сгорания 3.

Воздушный тракт на выходе из регенератора 4 может быть разделен на два канала 6 и 14, первый из которых сообщен с зоной смешения 8 камеры сгорания 3, а второй - со входом дополнительной воздушной турбины 15.

Дополнительная воздушная турбина 15 может быть кинематически связана с основной газовой турбиной 3.

Газовоздушный регенератор 4 может быть размещен в выхлопе турбины 15 и выполнен в виде двух 16 и 17 секции, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную 16 и низкотемпературную 17, соединенных между собой смесителем 18, который сообщен воздуховодом 19 с выходом из дополнительной турбины 15.

На выходе из регенератора 4 может быть размещен утилизационный теплообменник 20 дополнительного теплового контура 21, а на выходе из компрессора 1, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода 22.

Дополнительный тепловой контур 21 может быть размещен в низкотемпературной секции 17 регенератора 4.

Способ осуществляют следующим образом.

С помощью компрессора 1 сжимают воздух, который на выходе из компрессора 1 разделяют на два потока, первый из которых направляют непосредственно в зону горения 10 камеры сгорания 2, а второй - в регенератор 4, после которого подают в зону смешения 8 камеры сгорания 2. Полученные в зоне горения 10 продукты сгорания смешивают в зоне смешения 8 с воздухом, поступившим из регенератора 4 для получения газов требуемой температуры, которые подают в турбину 3 и после расширения в ней подают в регенератор 4, а затем на выход в атмосферу.

В некоторых случаях при относительно низкой степени сжатия (к = 3...4) температура воздуха на выходе из компрессора может оказаться слишком низкой, неоптимальной для организации процесса горения, особенно при низкой окружающей температуре. В таком случае сжатый воздух, поступающий в зону горения камеры, может быть частично подогрет в регенераторе до уровня, соответствующего оптимальным условиям процесса горения (см. фиг. 2), или в зону горения может быть подмешан в небольших количествах подогретый воздух второго потока (см. фиг. 3).

В ГТУ, выполненных по указанным схемам, из-за того, что только часть воздуха подогревается в регенераторе, снижается степень возврата в цикл остаточного тепла выхлопных газов и повышается расход топлива по сравнению с традиционной регенеративной схемой.

Для устранения этого недостатка воздух, подогретый в регенераторе, также разделяют на два потока, первый из которых подают в зону смешения камеры сгорания, а второй - в дополнительную воздушную турбину 8 (см. фиг.4), где он совершает дополнительную полезную работу без подвода топлива. При этом увеличивается общая степень регенерации тепла и возрастает КПД установки.

Еще более повышается экономичность ГТУ за счет использования остаточного тепла воздуха, расширившегося в дополнительной турбине 8 (см. фиг. 5). Для этого размещенный на турбинном выхлопе регенератор 6 составлен из двух секций, последовательно расположенных по потоку выхлопных газов, высокотемпературной 9 и низкотемпературной 10, соединенных между собой смесителем 11, который сообщен воздуховодом с выходом дополнительной турбины 8.

Дополнительная воздушная турбина может быть кинематически связана с газовой турбиной (турбинами , или иметь кинематически независимый привод.

Во многих случаях от газотурбинной энергоустановки кроме электрической энергии требуется и тепловая, например для отопительных приборов или для генерации промышленного пара, причем потребность в тепловой энергии может превышать потребность в электроэнергии.

Для удовлетворения этих потребностей ТГУ может быть снабжена дополнительным утилизационным теплообменником 12 (см. фиг. 6) и управляемым распределительным устройством 13, позволяющим по потребности изменять расход холодного воздуха, подводимого в зону горения и, соответственно, изменять подачу топлива и температуру выхлопных газов на выходе из регенератора, а следовательно, и передачу тепла в дополнительном утилизационном теплообменнике при поддержании неизменной температуры газов на выходе из камеры сгорания.

Таким образом, при возрастании потребности в тепле, например, зимой, за счет увеличения по специальной программе распределительным устройством 13 расхода воздуха, подводимого в зону горения без регенеративного подогрева, увеличивается подача топлива в камеру сгорания и выход тепловой энергии. При снижении потребности в тепловой энергии, например, летом, в регенератор поступает максимальный расход воздуха и ГТУ работает при минимальном расходе топлива с минимальной температурой выхлопных газов на выходе из регенератора.

Для уменьшения габаритов и стоимости энергоустановки дополнительный тепловой контур может быть размещен в низкотемпературной секции 10 регенератора 6 (см. фиг. 7).

Формула изобретения

1. Способ уменьшения выбросов окислов азота газотурбинной установки, включающий сжатие воздуха, его нагрев в камере сгорания, расширение в турбине, а также регенеративный подогрев выхлопными газами сжатого воздуха перед его подачей в камеру сгорания, отличающийся тем, что воздух после сжатия разделяют на два потока, первый из которых с расходом 5 ... 50% направляют непосредственно в зону горения камеры сгорания, а второй поток после максимального регенеративного подогрева - в зону смешения камеры сгорания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что воздух, направляемый непосредственно в зону горения камеры сгорания, частично регенеративно подогревают.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону горения камеры сгорания подмешивают часть подогретого воздуха второго потока.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть воздуха после максимального регенеративного подогрева направляют в дополнительную воздушную турбину.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после регенеративного подогрева сжатого воздуха производят утилизацию остаточного тепла выхлопных газов в дополнительном тепловом контуре и управляют расходом топлива и соотношением передачи тепла в регенераторе и дополнительном тепловом контуре путем перераспределения расходов между двумя потоками сжатого воздуха на выходе из компрессора.

6. Газотурбинная установка, включающая размещенные последовательно по газовому тракту компрессор, камеру сгорания, турбину и газовоздушный регенератор, сообщенный воздуховодами по входу нагреваемого воздуха с выходом из компрессора, а по выходу нагреваемого воздуха - с камерой сгорания, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из компрессора разделен воздуховодами на два канала, первый из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания, а второй через регенератор с зоной смешения камеры сгорания.

7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен с зоной горения, а другой - с зоной смешения камеры сгорания.

8. Установка по п.6, отличающаяся тем, что воздушный тракт после компрессора в промежуточной зоне регенератора разделен на два канала, один из которых сообщен со входом в зону горения камеры сгорания.

9. Установка по пп.6 - 8, отличающаяся тем, что воздушный тракт на выходе из регенератора разделен на два канала, первый из которых сообщен с зоной смешения камеры сгорания, а второй - со входом дополнительной, воздушной, турбины.

10. Установка по п.9, отличающаяся тем, что дополнительная, воздушная, турбина кинематически связана с основной, газовой, турбиной.

11. Установка по пп.9 и 10, отличающаяся тем, что газовоздушный регенератор размещен в выхлопе турбины и выполнен в виде двух секций, расположенных последовательно по потоку выхлопных газов, высокотемпературную и низкотемпературную, соединенных между собой смесителем, который сообщен воздуховодом с выходом из дополнительной турбины.

12. Установка по пп.6 - 11, отличающаяся тем, что на выходе из регенератора размещен утилизационный теплообменник дополнительного теплового контура, а на выходе из компрессора, в месте разделения сжатого воздуха на два канала, установлен управляемый распределитель расхода.

13. Установка по п. 12, отличающаяся тем, что дополнительный тепловой контур размещен в низкотемпературной секции регенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к энергетическим и транспортным установкам и касается газотурбинных установок

Изобретение относится к энергетическим и транспортным установкам и касается газотурбинных установок, использующих продукты сгорания топлива

Изобретение относится к области теплоэнергетики

Изобретение относится к энергосберегающим технологиям в области теплоэнергетики, в частности к утилизации тепла газов

Изобретение относится к энергетическим установкам и может быть использовано при создании наземных установок для получения электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, в том числе и при утилизации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО)

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного или транспортного назначения в качестве основного, резервного и аварийного источника электроэнергии и тепла

Малоразмерный газотурбинный двигатель с регенерацией тепла содержит компрессор с входным устройством, газовоздушный рекуперативный теплообменник, камеру сгорания, турбину привода компрессора и свободную турбину привода потребителя эффективной мощности, расположенные в едином корпусе с газосборником. Теплообменник установлен после турбин, соединен входом воздуха с выходом компрессора через воздушную полость, а выходами - с входами жаровых труб камеры сгорания и соединен входами газовых каналов с выходом свободной турбины, а выходами - с газосборником двигателя. Камера сгорания выполнена трубчато-кольцевой, а теплообменник - из модулей. Жаровые трубы камеры сгорания и модули теплообменника интегрированы в единый узел. При этом модули теплообменника и жаровые трубы камеры сгорания равномерно расположены по окружности. Жаровые трубы размещены между модулями теплообменника. Выходы воздуха модулей теплообменника гидравлически соединены с входами жаровых труб камеры сгорания через кольцевой воздушный коллектор. Выходы жаровых труб подключены к турбине привода компрессора через индивидуальные газоходы. Вал свободной турбины соединен с потребителем эффективной мощности через редуктор с выводным валом. Изобретение позволяет повысить экономичность, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. 3 ил.

Регенеративная газотурбодетандерная установка собственных нужд компрессорной станции содержит газопровод топливного газа высокого давления, связанный с магистральным газопроводом высокого давления, турбодетандер с регулируемым сопловым аппаратом, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, газопровод топливного газа среднего давления, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления, редукционное устройство. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления связан с входом турбодетандера, выход которого через трубопровод топливного газа среднего давления связан с камерой сгорания. В газопровод топливного газа высокого давления подают весь топливный газ высокого давления для всех газоперекачивающих агрегатов компрессорной станции и газотурбодетандерной установки. Регенеративная газотурбодетандерная установка дополнительно снабжена регенеративным воздухоподогревателем, утилизационным подогревателем топливного газа среднего давления, газоводяным подогревателем топливного газа, утилизационными теплообменниками выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов. Ротор турбодетандера связан общим валом с ротором компрессора газотурбодетандерной установки, а ротор газовой турбины связан общим валом с ротором электрогенератора. В выхлопном газоходе газовой турбины по ходу газов установлены регенеративный воздухоподогреватель, утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления и утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления. Газопровод топливного газа высокого давления через утилизационный подогреватель топливного газа высокого давления соединен с входом турбодетандера, выход которого через утилизационный подогреватель топливного газа среднего давления и газоводяной подогреватель топливного газа связан газопроводом топливного газа с камерами сгорания газотурбодетандерной установки и с камерами сгорания газоперекачивающих агрегатов. Утилизационные теплообменники выхлопных газов газоперекачивающих агрегатов соединены трубопроводами теплоносителя с газоводяным подогревателем топливного газа. Газопровод топливного газа высокого давления соединен через редукционное устройство с газопроводом топливного газа. Изобретение позволяет увеличить мощность и КПД газотурбодетандерной установки. 1 ил.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, а именно к проблеме вредного экологического воздействия газотурбинных установок на окружающую среду, в первую очередь, выбросов окислов азота

Наверх