Газотурбинная система с циклом рекуперации теплоты и способ ее использования

 

Газотурбинная система с циклом рекуперации теплоты содержит газотурбинный блок для привода устройства утилизации и получения горячих выходных газов, рекуперативный теплообменник, содержащий рабочую среду, средство управления для регулирования температуры подаваемых горячих газов, турбину. Способ утилизации горячих выхлопных газов газотурбинной системы заключается в передаче теплоты от горячих газов органической текучей среде, содержащейся в рекуперативном теплообменнике, для получения испаренной органической текучей среды и охлажденных выхлопных газов. Испаренную органическую среду расширяют в органической паровой турбине. Выходящий из последней расширенный органический пар конденсируют и перекачивают обратно в рекуперативный теплообменник. В качестве рабочей среды используют нормальный пентан или изопентан и осуществляют уменьшение температуры горячих выходных газов перед тем, как их теплота передается органической текущей среде, путем инжектирования окружающего воздуха в горячие выходные газы. Изобретения позволяют сохранять работоспособным цикл рекуперации тепла при холодной погоде. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 5 ил.

Это изобретение относится к газотурбинной системе, которая включает цикл рекуперации теплоты, и к способу ее использования.

Газовые турбины используются для получения энергии во многих установках по всему миру. Часто выходные газы газовой турбины просто выбрасываются в атмосферу. Например, для транспортировки газа из областей его производства к потребителям, находящимся вдали от этих областей используются трубопроводы для передачи природного газа под высоким давлением. Газовые компрессоры, которые перегоняют газ по этим трубопроводам, обычно обеспечиваются электроэнергией от газовой турбины, и дополнительно может использоваться цикл рекуперации теплоты для уменьшения потребления электроэнергии в целом за счет преобразования отработанного тепла, содержащегося в горячих выходных газах турбины, в электричество. Установка такого типа представлена схематично на фиг. 1, где показан двуступенчатый воздушный компрессор, производящий сжатый воздух, который подается на газовую турбину, соединенную с устройством утилизации, например газовым компрессором. В такой установке часть сжатого газа, подаваемого с помощью компрессора, отводится в камеру сгорания и сжигается в сжатом воздухе, перед тем как газы, образующиеся при сгорании, подаются на газовую турбину.

Температура горячих газов, которые выходят из газовой турбины, может быть около 450^oC, и эти газы обычно содержат достаточное количество тепла, что делает экономически оправданным рекуперацию теплоты. Как правило, выходные газы подаются в теплообменник с косвенным контактом, содержащий воду, которая испаряется. Образующийся водяной пар подается на паровую турбину, соединенную с генератором, который производит электричество, а расширенный пар выходит из турбины. Расширенный пар конденсируется в конденсаторе, в который обычно подается охлаждающая вода из водоема, связанного с градирней.

Во время холодной погоды температура воздуха может упасть ниже температуры замерзания воды, приводя к замерзанию охлаждающей воды и парового конденсата, таким образом препятствуя функционированию конденсатора и градирни. Когда это происходит, то работа цикла рекуперации тепла должна прекратиться.

Предполагается, что благодаря последним достижениям в области проектирования и создания турбины на органических парах, использующей конденсатор с воздушным охлаждением, такая турбина могла бы заменить паровую турбину в установке, описанной выше. Это усовершенствование позволило бы сохранять работоспособным цикл рекуперации тепла при очень холодной погоде. Однако высокая температура выходных газов и характеристики органических жидкостей (например, пентана), используемых в турбинных циклах на органических парах, увеличивают вероятность того, что в относительно горячей части теплообменника может образовываться и осаждаться углерод вследствие избыточного нагрева органической текучей среды горячими выходными газами.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание новой улучшенной газотурбинной системы с циклом рекуперации теплоты и способ ее использования, в которой решена проблема, упомянутая выше, или она в значительной степени уменьшена.

Настоящее изобретение предлагает цикл рекуперации теплоты для газотурбинной системы, которая включает газотурбинный блок для привода устройства утилизации и получения горячих выходных газов и рекуперативный теплообменник, содержащий рабочую текучую среду предпочтительно, органическую текучую среду, которая взаимодействует с подаваемыми горячими газами, для получения рабочей текучей среды в виде пара и охлажденных газов, которые могут выпускаться в атмосферу. Если используется органическая рабочая текучая среда, то турбина, работающая на органическом паре, соединенная с генератором и взаимодействующая с испаренной органической текучей средой, генерирует электроэнергию и производит расширенный органический пар, который выходит из турбины. Расширенная испаренная органическая жидкость конденсируется в конденсаторе, а конденсированная органическая текучая среда возвращается в рекуперативный теплообменник с помощью насоса. Когда окружающая температура ниже температуры замерзания воды, используется конденсатор органической текучей среды с воздушным охлаждением. Температура горячих газов, подаваемых в рекуперативный теплообменник, регулируется с помощью устройства управления, которое содержит смеситель для смешивания окружающего воздуха с горячими выходными газами для получения смеси горячих выходных газов и окружающего воздуха перед тем, как смесь подается в рекуперационный теплообменник и вступает в теплообменное взаимодействие с упомянутой органической текучей средой. Таким образом, температура выходных газов, подаваемых в теплообменник, может быть уменьшена, например, с 450 до 300^oC.

Для управления количеством окружающего воздуха, смешиваемого с горячими выходными газами, устройство управления может содержать позиционный избирательный клапан, например откидной клапан, для управления количеством окружающего воздуха, который смешивается с горячими выходными газами. В этом случае устройство управления может включать температурный датчик для контроля температуры подаваемых горячих газов, а клапан устройства управления реагирует на температуру, которую регистрирует упомянутый температурный датчик, для управления положением клапана и, следовательно, количеством окружающего воздуха, который смешивается с горячими выходными газами.

Варианты осуществления изобретения описаны на примерах со ссылкой на поясняющие чертежи, где: фиг. 1 - блок-схема обычной газотурбинной системы, в которую включен цикл рекуперации теплоты на основе водяного пара; фиг. 2 - блок-схема газотурбинной системы с циклом рекуперации теплоты на основе органической текучей среды согласно настоящему изобретению; фиг. 3A, 3B и 3C - вертикальные частичные схемы, подробно показывающие три конфигурации теплообменника согласно настоящему изобретению; фиг. 4 - блок-схема газотурбинной системы с циклом рекуперации теплоты на основе водяного пара, в которой используется настоящее изобретение; и фиг. 5 - блок-схема газового компрессора, работающего от газовой турбины, которая показана в качестве примера использования тепла в промежуточных охладителях компрессоров газовой турбины, и газовых компрессоров для генерации электроэнергии согласно настоящему изобретению.

Обратимся теперь к чертежам, цифровая позиция 10 обозначает газотурбинную систему согласно известному уровню техники, в которую включен цикл рекуперации теплоты на основе водяного пара. Система 10 содержит обычный газотурбинный блок 12, включающий компрессоры низкого и высокого давления 14, 16, соединенные валом 17 с газовой турбиной 18. Окружающий воздух подается в компрессор низкого давления 14, сжимается и подается в компрессор высокого давления 16.

Сжатый воздух подается в камеру сгорания 20, в которой сжигается топливо и при этом образуются высокотемпературные газы, которые подаются на турбину 18, где происходит их расширение. Энергия, выделяемая при расширении высокотемпературных газов в турбине, приводит в движение устройство утилизации 22, которое может быть газовым компрессором, связанным с газовым трубопроводом (не показано). Расширенные газы, которые выходят из выхода турбины 18, имеют температуру, которая может быть примерно 450^oC, например, или выше, или ниже в зависимости от параметров турбины. Теплота из горячих выходных газов извлекается в аппарате 23 рекуперативного цикла. Аппарат 23 включает рекуперативный косвенный теплообменник 24, в который подаются горячие выходные газы.

Теплообменник 24 содержит воду, которая испаряется за счет теплоты, содержащейся в горячих выходных газах. Эти газы охлаждаются до 120^oC в процессе теплообмена, который происходит между горячими выходными газами и водой в теплообменнике 24. Охлажденные выходные газы выпускаются в атмосферу, а водяной пар, получаемый в рекуперативном теплообменнике 24 подается на паровую турбину 26, соединенную с генератором 27. Водяной пар расширяется в турбине 26, приводя во вращение генератор и производя расширенный пар, который направляется в паровой конденсатор с наружным охлаждением 28. Конденсатор 28 охлаждается водой, подаваемой из градирни 30. Насос 31 возвращает конденсат, полученный с помощью конденсатора 28 в теплообменник 24.

Когда низкая окружающая температура приводит к замерзанию воды, поступающей в градирню 30, и парового конденсата, получаемого с помощью конденсатора пара 28, аппарат 23 будет не в состоянии работать; и цикл рекуперации теплоты должен быть остановлен. Эту ситуацию можно предотвратить, если использовать систему рекуперации теплоты с органической текучей средой. Такая система имеет конденсатор с воздушным охлаждением, потому что обычно используемые органические рабочие текучие среды, такие как текучая среда на основе гидрокарбоната, например пентана, имеют очень низкую точку замерзания и могут использоваться в зимних условиях почти во всем мире. Такие органические текучие среды могут образовывать углеродистые отложения при относительно высоких температурах, вследствие этого конструкция теплообменника должна учитывать возможность осаждения углеродистых образований или продуктов из рабочей текучей среды, особенно когда текучая среда в теплообменнике имеет температуру примерно 450^oC или выше.

Аппарат 40, показанный на фиг. 2, учитывает возможность образования углеродистого продукта из органической текучей среды, но, в известной мере, это налагает менее строгие требования на конструкцию теплообменника. В частности, аппарат 40 снабжен средством управления 42 для регулирования температуры горячих газов, которые подаются в теплообменник 44, так чтобы уменьшить температуру газов, которые вступают в теплообменное взаимодействие с органической текучей средой. А именно, температура выходных газов уменьшается при смешивании окружающего воздуха с горячими выходными газами перед тем, как смесь вступает в теплообменное взаимодействие с органической текучей средой. Например, температура может быть уменьшена до 300^oC.

Аппарат 40 включает в себя газотурбинный блок 12A, аналогичный блоку 12, показанному на фиг. 1, для привода устройства утилизации 22А, которое может быть газовым компрессором, и для получения горячих выходных газов в трубопроводе 41. Рекуперативный теплообменник 44 содержит органическую жидкость, например пентан, в форме n-пентан или изо-пентан, которая взаимодействует с подаваемыми горячими выходными газами с образованием испаренной органической жидкости в выходном трубопроводе 45, которая выпускается в атмосферу через подходящую дымовую трубу. Турбогенератор на органическом паре 46, который включает турбину 47 на органическом паре, соединен с электрическим генератором 48. Генератор 48 приводится в движение испаренной органической жидкостью в трубопроводе 45, в результате генерируется электроэнергия и образуется расширенный органический пар в трубопроводе 49, соединенном с выходной турбиной 47. Конденсатор 50, который охлаждается воздухом, служит для конденсации расширенной испаренной органической жидкости, которая выходит из турбины 47, а насос 52 возвращает конденсат органической среды в рекуперативный теплообменник 44 через трубопровод 53.

Из-за относительно высокой температуры выходных газов, которые вступают в теплообменное взаимодействие с органической текучей средой в теплообменнике, предпочтительная конструкция рекуперативного теплообменника 44 включает предварительный нагреватель 54 и испаритель 55, который включает испарительную часть теплообменника 56 для приема горячих выходных газов и испарительный бак 57. Часть 56 содержит органическую текучую среду в жидкой фазе, что позволяет надлежащим образом производить передачу тепла органической текучей среде без образования паровоздушных мешков, таким образом, способствуя эффективной передаче тепла органической текучей среде.

После того, как нагретая жидкость перекачена с помощью насоса 58 из части 56 в бак 57 по трубопроводу 59, нагретая жидкость испаряется в баке и испаренная органическая текучая среда по трубопроводу 45 подается в турбину 47. После прекращения нагрева жидкой органической текучей среды в части 56 газы, температура которых до некоторой степени понижена, поступают в предварительный нагреватель 54, в который с помощью насоса подается из конденсатора 50 по трубопроводу 53 конденсат органической текучей среды.

Дополнительное тепло извлекается из газов в предварительном нагревателе 54 в процессе предварительного нагрева конденсата органической текучей среды, который перетекает по трубопроводу 60 в бак 57, откуда предварительно нагретая жидкость подается в часть 56 испарителя. Газы охлаждаются в результате до 120^oC и выпускаются в атмосферу.

Несмотря на то, что цикл с органической рабочей средой особенно выгодно использовать при окружающей температуре ниже точки замерзания воды, цикл рекуперации теплоты на основе органической рабочей текучей среды, который упоминался ранее, может быть также выгоден даже при окружающих температурах выше, чем точка замерзания воды. В этих условиях конденсатор 50 может иметь воздушное или водяное охлаждение и турбина на органической текучей среде будет значительно меньше, поскольку больше разность в удельных объемах между водяным паром и органическим паром при одной и той же температуре. Кроме того, конденсирующее давление обычно будет выше атмосферного давления.

Работа средства управления 42 проиллюстрирована на фиг. 3A-C, поясняющих три варианта выполнения рекуперативного теплообменника 44. Рекуперативный теплообменник 44A на фиг. 3A содержит трубчатый корпус 60, имеющий входную часть 62, соединенную с выходным каналом 63 газовой турбины, и в который поступают горячие выходные газы. Предпочтительно, рекуперативный теплообменник включает также выходную часть 64, через которую корпус 60 соединен с дымовой трубой 65. Выходные газы, охлажденные за счет отдачи тепла испарителю 55 и предварительному нагревателю 54, выпускаются через дымовую трубу 65 в атмосферу.

Средство управления 42, связанное с теплообменником 44A также содержит инжектор 66, имеющий выходной конец 67, открытый в входную часть 62, часть 68, имеющую входной конец 69, открытый в окружающую атмосферу, и вентилятор 70A для втягивания окружающего воздуха через инжектор 66 в рекуперативный теплообменник. Средство управления также содержит избирательный позиционный клапан 71, например откидной клапан, расположенный в части 68.

Предпочтительно, средство управления также содержит температурный датчик 72, расположенный в области, где горячие выходные газы из выхода турбины смешиваются с окружающим воздухом, выходящим из инжектора, для контроля температуры газов, поступающих в рекуперативный теплообменник 44. Таким образом, температура газа регистрируется до того, как он подается на элементы 55 и 54 теплообменника, то есть, до того как тепло газов передается органической текучей среде в испарителе и предварительном нагревателе теплообменника.

Температурный датчик 72 выдает управляющий сигнал, который зависит от разности температур между температурой газов, поступающих в рекуперативный теплообменник 44A и заранее установленной температурой для этих газов до осуществления теплообменных процессов; и этот управляющий сигнал подается на клапан устройства управления 42A, который управляет положением клапана 71. Таким образом, объем окружающего воздуха, инжектируемого в горячие выходные газы, а следовательно, температура смеси воздуха и выходных газов может регулироваться в соответствии с требующейся установленной температурой. Например, если температура выходных газов, которые выходят из турбины, примерно 450^oC, то температура смеси может быть выбрана в 300^oC; устройство управления клапаном 42A будет оказывать влияние на положение клапана 71 таким образом, чтобы установилась выбранная температура. В этом случае температура смеси воздуха и выходных газов, вероятно, будет примерно 120^oC после завершения теплообмена смеси с предварительным нагревателем рекуперативного теплообменника.

Рекуперативный теплообменник 44B, показанный на фиг. 3B, аналогичен рекуперативному теплообменнику 44A за исключением того, что вентилятор, с помощью которого воздух инжектируется в выходные газы перед теплообменным взаимодействием смеси с органической текучей средой, расположен ниже по потоку относительно инжектора в теплообменнике 44A, а в случае рекуперативного теплообменника 44B вентилятор расположен выше по потоку. То есть вентилятор 70B расположен в области выходной части 64 теплообменника, а не в области части 68. Иначе говоря, рекуперативный теплообменник 44B функционирует так же, как и рекуперативный теплообменник 44A.

Цель установок, показанных на фиг. 3A и 3B, заключается в уменьшении обратного давления на газотурбинный выход за счет вентилятора 70A, показанного на фиг. 3A, и вентилятора 70B, показанного на фиг. 3B. Таким образом, каждый из рекуперативных теплообменников 44A и 44B содержит инжектор, нагнетающий воздух. Рекуперативный теплообменник 44C в отличие от рекуперативных теплообменников 44A и 44B не содержит инжектора, нагнетающего воздух, т.е. в рекуперативном теплообменнике 44C отсутствует вентилятор. В рекуперативном теплообменнике 44C конструкция выходного газового канала должна быть такой, чтобы выходной канал газовой турбины действовал как инжектор. Иначе говоря, скорость потока выходных газов в области входной части 62 теплообменника 44C должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить достаточно сильное всасывание для втягивания в рекуперативный теплообменник такого количества окружающего воздуха, чтобы выходные газы охладились до требующейся температуры. Для достижения этих результатов используются обычные конструктивные параметры и не требуется никаких дополнительных экспериментов.

Регулирование количества окружающего воздуха, втягиваемого в рекуперативный теплообменник 44C, может быть осуществлено с помощью откидного клапана 71C, размещенного на входе во входную часть 62 рекуперативного теплообменника 44C.

Хотя вышеизложенное подробное описание относится к использованию органических рабочих текучих сред, в частности текучих сред на основе гидрокарбонатов, изобретение также может применяться и для неорганических рабочих текучих сред. Например, изобретение может применяться для системы на основе воды, где проблема заключается в том, чтобы поддерживать в значительной степени фиксированную температуру испарения для цикла рекуперации тепла при изменяемых окружающих условиях, и где окружающая температура не доходит до температуры замерзания воды. Вариант 80 настоящего изобретения, показанный на фиг. 4, является примером газотурбинной системы с водяным циклом рекуперации тепла. В варианте 80 газотурбинная система 12 производит горячие выходные газы, которые проходят через канал 81 в соединитель 82, который соединен с каналом, причем соединитель содержит центральный откидной клапан 83, который может поворачиваться из нерабочего положения, показанного сплошной линией на фиг. 4, в рабочее положение, показанное штриховыми линиями. В нерабочем положении клапан 83 позволяет горячим выходным газам входить в элементы рекуперативного теплообменника, включая испаритель, например, выполненный в форме водяных труб; а в рабочем положении клапан 83 переключает горячие газы на обходную дымовую трубу 86. Обычно клапан 83 находится в нерабочем положении, но клапан может быть переведен в рабочее положение, когда требуется поддержание температуры на оборудовании цикла рекуперации тепла или по другим причинам.

Инжектор 87, связанный с рекуперативным теплообменником 84, работает таким же образом, как и инжектор 66. Однако в этом случае угловое положение клапана 71, а следовательно, количество окружающего воздуха, смешиваемого с горячими выходными газами, определяется с помощью управляющего сигнала, выдаваемого температурным датчиком, как описано ниже. В другом варианте может использоваться схема, аналогичная той, что показана на фиг. 3C.

Рекуперативный теплообменник содержит элемент 85, который содержит воду, испаряющуюся за счет тепла смеси горячих газов из газотурбинного блока и окружающего воздуха; а полученный пар подается по трубопроводу 90 на паровую турбину 91. Охлажденные газы, находящиеся ниже по потоку относительно испарителя, выпускаются в атмосферу через подходящую дымовую трубу. За счет расширения пара в паровой турбине 91 приводится во вращение генератор 92 и происходит генерация электроэнергии; а расширенный пар выходит из турбины и поступает в конденсатор 95, предпочтительно, с воздушным охлаждением, при этом расширенный пар переходит в конденсированное состояние. Насос 93 возвращает конденсат водяного пара в рекуперативный теплообменник 84.

Датчик уровня температуры 89, связанный с рекуперативным теплообменником 84, выдает управляющий сигнал, функционально зависящий от разности температуры газов, входящих в теплообменник 84, и предпочтительной установленной температурой этих газов; и этот управляющий сигнал подается на средство управления 94 для управления положением клапана 95 таким образом, чтобы устанавливать определенную температуру смеси выходных газов и окружающего воздуха перед подачей смеси в теплообменник, где она вступает в теплообменные отношения с испарителем, входящим в состав рекуперативного теплообменника. Таким образом может регулироваться температура для поддержания заданной температуры для испарения воды в изменяющихся условиях, что влияет на работу рекуперативного теплообменника, в состав которого входит испаритель.

В другом варианте изобретения конденсатор 95 может быть заменен на устройство, аналогичное электростанции на органической текучей среде, работающей по замкнутому циклу Ранкина, как показано штриховыми линиями на фиг. 4. В этом случае пар, выходящий из турбины 91, будет подаваться в теплообменник с косвенным контактом 96, содержащий органическую текучую среду, в результате она будет испаряться. Испаренная органическая текучая среда подается в турбину на органическом паре 97, соединенную с генератором; расширенный органический пар, выходящий из турбины 97, конденсируется в конденсаторе 98 с воздушным охлаждением, причем конденсат органической текучей среды возвращается в конденсатор водяного пара 96 с помощью насоса 99 для завершения цикла органической рабочей текучей среды. Эта схема особенно выгодна, если конденсатор водяного пара работает при отсутствии вакуума.

Газотурбинный блок, скомпонованный в соответствии с настоящим изобретением, может иметь форму, как показано на фиг. 5, обозначенную цифровой позицией 12A, с промежуточным нагревателем 100, расположенным между компрессором низкого давления 14 и компрессором высокого давления 16. Газовая турбина 18, которая запитывается газами из камеры сгорания, образованными после сгорания топлива в присутствии сжатого воздуха, полученного с помощью компрессора 16, соединена в 101 с газовым компрессором 102, который получает газ из источника, где получают газ (не показано), или трубопровода, по которому передается газ, и сжимает газ для дальнейшей его транспортировки по передающей газовой линии. Показаны три стадии сжатия газа, и они представляют типичную газоперекачивающую станцию в начале передающего трубопровода или в промежуточной части трубопровода между источником газа и конечным местом трубопровода.

Газ, который должен сжиматься, подается в компрессор низкого давления 103, а нагретый сжатый газ охлаждается в промежуточном охладителе 104, перед тем как он передается и дополнительно сжимается в промежуточном компрессоре 105. Нагретый сжатый газ охлаждается в охладителе 108 перед его подачей в газовый передающий трубопровод (не показано). Как уже отмечалось, часть сжатого газа возвращается назад в газотурбинный блок и используется в качестве топлива газотурбинной камеры сгорания.

Тепло, извлеченное из сжатого газа в промежуточных охладителях 104, 106 и 108, а также тепло, извлеченное из сжатого воздуха в промежуточном охладителе 100, преобразуется в электричество с помощью преобразователя на органическом рабочем теле 110. Иначе говоря, в компоновке, показанной на фиг. 5, которая является примером использования тепла, выделенного в промежуточных охладителях, органическая текучая среда, предварительно нагретая в промежуточном охладителе 104, который является для газового компрессора промежуточным охладителем низкого давления, испаряется в промежуточном охладителе 100. Промежуточные охладители 106 и 108, связанные с промежуточным компрессором и компрессором высокого давления газового компрессора, также работают как испарители и выходы этих испарителей параллельно с выходом промежуточного охладителя 100 запитывают турбину на органическом паре 111, соединенную с генератором 112. После расширения испаренной органической текучей среды и последующей генерации электроэнергии расширенный органический пар подается в воздушный конденсатор 111, где происходит конденсация. Насос 114 возвращает органический конденсат в параллельно подключенные промежуточные охладители 104, 106 и 108 и цикл органической текучей среды завершается.

Вышеприведенное описание настоящего изобретения относится к использованию в цикле рекуперации тепла, связанном с газовой турбиной, рабочей текучей среды на основе органических веществ вместо воды, когда окружающая температура ниже, чем точка замерзания воды. Однако настоящее изобретение особенно выгодно также в тех случаях, когда использование воды или ее наличие являются проблематичными.

Кроме того, несмотря на то, что вышеприведенное описание относится к использованию цикла рекуперации тепла для получения электричества, вращательная энергия, получаемая турбиной в цикле рекуперации тепла, может, с другой стороны, непосредственно использоваться для привода оборудования без преобразования вращательной энергии в электрическую, например для привода газовых компрессоров или работающих аналогичным образом механизмов.

Более того, цикл промежуточной теплопередачи текучей среды может использоваться в цикле рекуперации теплоты для передачи теплоты от выходных газов газовой турбины органической рабочей текучей среде.

Приведенное описание раскрывает одинарный цикл рекуперации теплоты с органической рабочей текучей средой, однако настоящее изобретение включает использование в цикле рекуперации теплоты работающих блоков, соединенных последовательно или параллельно. Если используются последовательные блоки, то в турбине повышенного давления или в турбинах может использоваться вода как рабочая текучая среда в замкнутых циклах.

Кроме того, несмотря на то, что в приведенном описании используется воздух, добавляемый к выходным газам газовой турбины, для регулирования температуры газов, из которых выделяется теплота в цикле рекуперации теплоты, предпочтительным вариантом является электростанция, использующая простой замкнутый цикл Ранкина с органической текучей средой, или циклы, имеющие конденсатор с воздушным охлаждением, где воздух не смешивается с выходными газами газовой турбины. Использование в электростанции для рекуперации теплоты замкнутого цикла Ранкина с органической текучей средой вместо паровой турбины упрощает конструкцию, эксплуатацию и поддержание системы в целом, что обеспечивает создание надежных и необслуживаемых систем, которые могут работать длительное время в отдаленных местах.

Преимущества и лучшие результаты, которые дает способ и устройство согласно настоящему изобретению, являются очевидными из описания лучшего варианта осуществления изобретения. Различные изменения и модификации могут быть сделаны, не выходя за рамки сущности и объема изобретения, как они раскрыты в приложенной формуле.

Формула изобретения

1. Газотурбинная система с циклом рекуперации теплоты, содержащая газотурбинный блок для привода устройства утилизации и получения горячих выходных газов, рекуперативный теплообменник, содержащий рабочую среду, взаимодействующую с подаваемыми горячими газами для получения испаренной рабочей текучей среды и выпускаемых охлажденных газов, средство управления для регулирования температуры подаваемых горячих газов, турбину, соединенную с генератором и взаимодействующую с испаренной рабочей текучей средой для генерации электроэнергии, конденсатор для конденсации расширенной испаренной текучей среды, выходящей из турбины, и насос для возвращения конденсата рабочей текучей среды в упомянутый рекуперативный теплообменник, отличающаяся тем, что а) содержит средство для охлаждения температуры подаваемых горячих газов, b) рекуперативный теплообменник содержит испаритель-теплообменник и предварительный нагреватель, расположенные так, что испаритель взаимодействует с горячими подаваемыми газами до того, как эти газы взаимодействуют с предварительным нагревателем, и с) рабочей текучей средой является пентан.

2. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что средство управления содержит смеситель для смешивания окружающего воздуха с горячими выходными газами для получения смеси горячих выходных газов и окружающего воздуха перед подачей смеси в рекуперативный теплообменник и вступление ее в теплообменное взаимодействие с рабочей текучей средой.

3. Газотурбинная система по п.2, отличающаяся тем, что средство управления содержит позиционный клапан для регулирования количества окружающего воздуха, смешиваемого с горячими выходными газами.

4. Газотурбинная система по п.3, отличающаяся тем, что средство управления содержит температурный датчик для определения температуры подаваемых горячих газов и устройство управления клапаном, реагирующее на температуру, определяемую температурным датчиком, для регулирования положения клапана при регулировании количества окружающего воздуха, смешиваемого с горячими выходными газами.

5. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что рекуперативный теплообменник содержит трубчатый корпус, имеющий входную часть, в которую входят горячие выходные газы, а средство управления содержит инжектор, имеющий свободный конец, открытый во входную часть и через который подается окружающий воздух, и вентилятор для втягивания окружающего воздуха через инжектор, причем клапан расположен в инжекторе.

6. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что трубчатый корпус рекуперативного теплообменника содержит выходную часть, в которую охлажденные газы поступают перед выбросом в атмосферу.

7. Газотурбинная система по п.5, отличающаяся тем, что вентилятор расположен выше по потоку упомянутого инжектора.

8. Газотурбинная система по п.5, отличающаяся тем, что вентилятор расположен ниже по потоку упомянутого инжектора.

9. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что рекуперативный теплообменник содержит теплообменный испаритель, предварительный нагреватель и испарительный резервуар, в который поступает нагретая органическая жидкость из теплообменного испарителя и предварительно нагретый органический конденсат из предварительного нагревателя и из которого подается испаренная органическая текучая среда на турбину, а жидкая органическая текучая среда - в теплообменный испаритель.

10. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит соединитель для избирательного переключения направления горячих выходных газов из газотурбинного блока в рекуперативный теплообменник или обходную дымовую трубу.

11. Газотурбинная система по п.3, отличающаяся тем, что конденсатор является конденсатором органического пара с воздушным охлаждением.

12. Газотурбинная система по п.1, отличающаяся тем, что устройство утилизации представляет собой газовый компрессор для подачи сжатого газа в газопередающий трубопровод.

13. Газотурбинная система по п.2, отличающаяся тем, что рабочая турбина, соединенная с генератором, является турбиной на органическом паре, а конденсатор - с воздушным охлаждением и содержит регулируемый соединитель для избирательного переключения направления горячих выходных газов из газотурбинного блока между рекуперативным теплообменником и обходной дымовой трубой, и средство управления для регулирования температуры подаваемых горячих газов перед тем, как эти газы подаются в рекуперативный теплообменник.

14. Способ утилизации горячих выхлопных газов газотурбинной системы, заключающийся в передаче теплоты от горячих газов органической текучей среде, содержащейся в рекуперативном теплообменнике, для получения испаренной органической текучей среды и охлажденных выходных газов, выпускаемых в атмосферу, расширении испаренной органической текучей среды в органической паровой турбине, входящей в турбогенератор, для генерации электроэнергии, конденсации выходящего из паровой органической паровой турбины расширенного органического пара и перекачки конденсата обратно в рекуперативный теплообменник, отличающийся тем, что в качестве рабочей среды используют нормальный пентан или изопентан и осуществляют уменьшение температуры горячих выходных газов перед тем, как их теплота передается органической текучей среде, путем инжектирования окружающего воздуха в горячие выходные газы.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что включает избирательное переключение направления горячих выходных газов из газотурбинного блока между теплообменником и обходной дымовой трубой.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что включает регулирование количества окружающего воздуха, которое смешивается с выходными газами.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что включает определение температуры горячих газов перед тем, как их теплота передается органической текучей среде, и регулирование количества окружающего воздуха, которое смешивается с горячими выходными газами в зависимости от зарегистрированной температуры.

18. Способ по п.14, отличающийся тем, что испаренную органическую текучую среду образуют при первом предварительном нагреве конденсата выходными газами.

19. Способ по п.14, отличающийся тем, что этап конденсации расширенной и спаренной органической текучей среды выполняется за счет охлаждения расширенной испаренной органической текучей среды воздухом.

20. Способ по п. 14, отличающийся тем, что содержит передачу тепла от подаваемых горячих газов к рабочей текучей среде посредством промежуточной теплопередающей текучей среды.

21. Способ по п.20, отличающийся тем, что тепло от горячих выходных газов передается водной среде, содержащейся в цикле промежуточной теплопередающей среды, для производства нагретой водной среды и тепло, содержащееся в нагретой водной среде, передается конденсату органической рабочей текучей среды, присутствующему в системе теплового рекуперативного теплообменника, для испарения органической рабочей текучей среды и производства пара органической рабочей текучей среды, который подают к органической паровой турбине для получения энергии.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что цикл промежуточной теплопередающей среды включает стадии испарения воды и производства пара, использующего тепло, содержащееся в горячих выходных газах, посредством водного теплообменника, расширения пара в паровой турбине для получения энергии и расширенного пара, конденсации расширенного пара в паровом конденсаторе для получения конденсата пара и возврат конденсата пара в водный теплообменник.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что включает стадии охлаждения конденсата пара органической текучей средой и получения пара органической текучей среды для подачи на органическую паровую турбину.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5