Устройство для термодинамического преобразования и способ достижения максимального общего кпд этого устройства

 

Устройство для термодинамического преобразования включает в себя газовую турбину, обеспечивающую поток нагретых газов из ее выхлопа, по меньшей мере один воздушный компрессор для сжатия окружающего воздуха, теплообменник, который содержит средства для переноса теплоты от потока нагретых выхлопных газов газовой турбины к сжатому воздуху из воздушного компрессора для производства нагретого сжатого воздуха. С теплообменником соединена по меньшей мере одна воздушная турбина, которая реагирует на нагретый сжатый воздух, приводя в движение, по меньшей мере, один компрессор. Теплообменник имеет трубопроводы для потока газотурбинного выхлопного газа и для потока сжатого воздуха. Способ достижения максимального общего КПД этого устройства заключается в том, чтобы потоки газотурбинных выхлопных газов и сжатого воздуха из, по крайней мере, одного воздушного компрессора имели существенно отличающиеся теплоемкости. Для этого выбираются соответствующие размеры трубопроводов для потока выхлопных газов и для потока сжатого воздуха. Осуществление изобретения позволяет достичь максимальный КПД при частичной нагрузке. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для термодинамического преобразования.

Патент США N 4751814 описывает устройство для термодинамического преобразования с воздушным циклом, которое содержит газовую турбину, обеспечивающую поток нагретых газов из выхлопа газовой турбины; по меньшей мере, один воздушный компрессор для сжатия окружающего воздуха; теплообменник, который содержит средства для переноса теплоты от потока нагретых выхлопных газов газовой турбины к сжатому воздуху из воздушного компрессора и производит нагретый сжатый воздух; по крайней мере одну воздушную турбину, соединенную с теплообменником, которая воспринимает нагретый сжатый воздух и приводит в движение, по крайней мере, один компрессор; причем нагретый сжатый воздух содержит избыточную энергию кроме необходимой для, по крайней мере, одной воздушной турбины, чтобы приводить в движение, по крайней мере, один воздушный компрессор; и средства для подачи избыточной энергии к потребляющему процессу. Потоки нагретых выхлопных газов и сжатого воздуха в теплообменнике устанавливают так, что они оба имеют приблизительно равные теплоемкости, благодаря чему поддерживают между ними минимальный градиент температуры. Использование сжатого воздуха обеспечивает воздушный цикл рекуперации.

Согласно патенту США N 4751814 градиент температуры поперек теплообменника должен быть минимален, и два потока должны оба иметь приблизительно равные теплоемкости. Это позволяет достигнуть максимума мощности.

Мощность на оси получают и от исходной газовой турбины и от газовой турбины воздушного цикла рекуперации. В соответствии с природой воздушного цикла рекуперации, от газовой турбины воздушного цикла рекуперации получают мощность на оси значительно меньшую, чем от исходной газовой турбины, приблизительно одну третью часть, когда исходная газовая турбина работает при полной мощности. При этом условии, массовый расход и температура выхлопа из исходной газовой турбины известны, и конфигурация газовой турбины воздушного цикла рекуперации и параметры цикла могут быть выбраны так, чтобы обеспечить максимальную воздушную мощность газовой турбины цикла рекуперации и таким образом максимальную полную мощность и КПД установки.

Во многих возможных применениях воздушного цикла рекуперации, объединенная установка не работает непрерывно при полной мощности. Это имеет место там, где установка обеспечивает локальную сеть, в которой нагрузка изменяется, например на морской нефтегазодобывающей платформе. В этом типе применения максимальная мощность требуется только изредка и на короткие периоды. При этих обстоятельствах, максимальный КПД при максимуме мощности не имеет первостепенного значения.

Таким образом, цель изобретения состоит в том, чтобы создать способ для достижения вышеназванного максимального общего КПД (КПД на оси) при частичных нагрузках.

В краткой формулировке представленное изобретение представляет устройство для термодинамического преобразования с воздушным циклом, которое содержит газовую турбину, обеспечивающую поток нагретых газов из выхлопа газовой турбины; по меньшей мере, один воздушный компрессор для сжатия окружающего воздуха; теплообменник, который содержит средства для переноса теплоты от потока нагретых выхлопных газов газовой турбины к сжатому воздуху из воздушного компрессора и производит нагретый сжатый воздух; по меньшей мере, одну воздушную турбину, соединенную с теплообменником, которая реагируя на нагретый сжатый воздух приводит в движение, по меньшей мере, один компрессор; причем нагретый сжатый воздух содержит избыточную энергию кроме необходимой для, по меньшей мере, одной воздушной турбины, чтобы приводить в движение, по меньшей мере, один воздушный компрессор; и средства для подачи избыточной энергии к потребляющему процессу; причем теплообменник имеет первый трубопровод для потока газотурбинного выхлопного газа и второй трубопровод для потока сжатого воздуха, и размеры первого и второго трубопроводов выбирают так, чтобы потоки с теплоемкостями значительно отличались друг от друга.

Вышеупомянутые и другие задачи, особенности и преимущества представленного изобретения будут очевидны из описания, которое следует ниже, когда оно читается совместно с сопровождающими чертежами, в которых одинаковые числовые ссылки обозначают одни и те же элементы.

Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему устройства для термодинамического преобразования, в котором можно использовать изобретение.

Фиг. 2 представляет собой диаграмму, которая показывает КПД на оси в % в зависимости от нагрузки газовой турбины в % от максимальной.

На фиг.1 показано ранее известное устройство для термодинамического преобразования, которое содержит исходную газовую турбину 1, газовую турбину воздушного цикла рекуперации 2 и противоточный теплообменник 3. Исходная газовая турбина включает компрессор 4, камеру сгорания 5 и турбину 6. Газовая турбина воздушного цикла рекуперации 2 содержит ряд соединенных через промежуточные охладители 7 воздушных компрессоров 8 и воздушную турбину 9. Сжатый воздух из компрессоров 8 подают в теплообменник 3 и оттуда в воздушную турбину 9. Выхлопные газы из газовой турбины 6 подают в теплообменник 3 для теплообмена противотоком со сжатым воздухом из воздушных компрессоров 8. Этим известным устройством для термодинамического преобразования управляют с помощью регулирования теплообменника, как показано в патенте США N 4751814, содержание которого включено в настоящее описание.

Фиг.2 показывает общий КПД в зависимости от нагрузки газовой турбины.

Фиг. 2 показывает влияние на полный КПД установки (КПД на оси) двух различных в сравнении с потоком через исходную газовую турбину потоков через газовую турбину воздушного цикла рекуперации. Это различие равно приблизительно +10% (1) и -10% (2) потока исходной газовой турбины при номинальной мощности исходной газовой турбины. Также приведен график зависимости КПД на оси исходной газовой турбины, то есть без газовой турбины воздушного цикла рекуперации. Ясно видно, что один поток (1) дает более высокий общий КПД при близкой к полной мощности, в то время как другой (2) дает более высокий общий КПД при более низких мощностях.

Стоимость топлива и связанных с ним налогов - главная часть общей стоимости использования газотурбинной установки для производства мощности на оси. Эта стоимость топлива, возможно, будет увеличиваться со временем. Таким образом, для оператора такой установки очень важно, чтобы оборудование могло быть оптимально выбрано и сконфигурировано для нормального использования этим оператором.

Формула изобретения

1. Устройство для термодинамического преобразования, которое включает газовую турбину, обеспечивающую поток нагретых газов из выхлопа газовой турбины; по меньшей мере один воздушный компрессор для сжатия окружающего воздуха, теплообменник, который содержит средства для переноса теплоты от потока нагретых выхлопных газов газовой турбины к сжатому воздуху из воздушного компрессора для производства нагретого сжатого воздуха; по меньшей мере, одну воздушную турбину, соединенную с теплообменником, которая, реагируя на нагретый сжатый воздух, приводит в движение, по меньшей мере, один компрессор, причем нагретый сжатый воздух содержит избыточную энергию, кроме необходимой, для, по меньшей мере, одной воздушной турбины для приведения в движение, по меньшей мере, одного воздушного компрессора; и средства для подачи вышеназванной избыточной энергии к потребляющему процессу, отличающееся тем, что теплообменник имеет первый трубопровод для потока газотурбинного выхлопного газа и второй трубопровод для потока сжатого воздуха, и размеры вышеназванных первого и второго трубопроводов выбирают так, чтобы потоки с теплоемкостями значительно отличались друг от друга.

2. Способ достижения максимального общего КПД устройства для термодинамического преобразования, которое включает газовую турбину, обеспечивающую поток нагретых газов из выхлопа газовой турбины; по меньшей мере, один воздушный компрессор для сжатия окружающего воздуха; теплообменник, который содержит средства для переноса теплоты от потока нагретых выхлопных газов газовой турбины к сжатому воздуху из воздушного компрессора и производит нагретый сжатый воздух; по меньшей мере, одну воздушную турбину, соединенную с теплообменником, которая, реагируя на нагретый сжатый воздух, приводит в движение, по меньшей мере, один компрессор; причем нагретый сжатый воздух содержит избыточную энергию, кроме необходимой, для, по меньшей мере, одной воздушной турбины для приведения в движение, по меньшей мере, одного воздушного компрессора, и средства для подачи избыточной энергии к потребляющему процессу, отличающийся тем, что потоки газотурбинных выхлопных газов и сжатого воздуха из, по крайней мере, одного воздушного компрессора имеют существенно отличающиеся теплоемкости.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что через вышеназванный теплообменник направляют относительно различные массовые расходы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2