Способ утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки и установка утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки для осуществления способа

 

Изобретение относится к энергетическим системам. Нагрев теплоносителя в выходном теплообменнике осуществляют путем подачи в него воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления, после чего охлажденный в выходном теплообменнике сжатый воздух подают в компрессор высокого давления газотурбинной установки и на вход турбодетандера, а из теплообменного аппарата пенного типа часть нагретого в нем теплоносителя подают в испаритель-смеситель. Компрессор низкого давления со стороны выхода из него подключен к выходному теплообменнику, последний подключен к компрессору высокого давления и к турбодетандеру, а испаритель-смеситель со стороны входа в него подключен к выходу насоса. В результате достигается повышение эффективного КПД установки. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетическим системам, а более конкретно к теплоэнергоустановкам на базе газотурбинных установок.

Известен способ нагрева теплоносителя для систем водяного отопления, включающий нагрев воды в теплообменном аппарате с использованием газотурбинной установки (см. , например, DE 4138522, кл. F 02 С 6/18, 27.05.93).

В этом же источнике описана установка для осуществления данного способа, содержащая газотурбинную установку, кинематически связанную с электрогенератором, а турбина газотурбинной установки выходом выхлопных газов подключена к теплообменнику системы водяного отопления.

Нагрев воды в теплообменных аппаратах обусловлен процессами теплообмена при взаимодействии высокотемпературного газа и воды, имеющих разные температуры на поверхностях контакта. Подогрев воды в теплообменных аппаратах с поверхностью раздела теплоносителей недостаточно эффективен и, как следствие, имеют место большие потери тепловой энергии газового потока выхлопных газов. В контактных теплообменных аппаратах эффективность процессов теплообмена существенно выше, однако подогрев воды в них возможен лишь до так называемой температуры мокрого термометра, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в выхлопных газах. Поэтому максимально возможная температура нагрева воды в контактных теплообменных аппаратах при атмосферных условиях не превышает, как правило, 50-60^oС, что не соответствует требованиям, предъявляемым к горячей воде отопительных систем, в которых по существующим стандартам она должна достигать 120^oС.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, включающий подвод в компрессор газотурбинной установки воздуха, сжатие его в последнем, привод выхлопными газами газотурбинной установки свободной турбины, привод от последней электрогенератора, охлаждение входного потока теплоносителя потоком среды после турбодетандера, нагрев части теплоносителя в испарителе-смесителе выхлопными газами после свободной турбины с формированием высокотемпературной парогазовой смеси, нагрев теплоносителя высокотемпературной парогазовой смесью в теплообменном аппарате пенного типа, подачу из последнего теплоносителя в выходной теплообменник, дополнительный нагрев теплоносителя в последнем и подачу теплоносителя потребителю (Алемасов В. Е. , Кравцов Я. И. , Хабибуллин М. Г. , Гортышов Ю. Ф. , Костерин В. А. , Варсегов В. Л. Об одном направлении повышения эффективности энергетических систем на базе авиационных газотурбинных двигателей. Известия АН. Энергетика, 4, 1998, с. 92-96).

В указанном выше источнике описана также установка утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, содержащая газотурбинную установку, свободную турбину, кинематически связанную с электрогенератором и тепловым насосом, теплообменный аппарат пенного типа с входным теплообменником, насосом, выходным теплообменником и испарителем-смесителем, при этом входной теплообменник подключен к теплообменному аппарату пенного типа и к турбодетандеру, насос подключен входом к выходу теплоносителя из теплообменного аппарата пенного типа и выходом - к выходному теплообменнику, а смеситель-испаритель со стороны входа в него подключен к выходу выхлопных газов из свободной турбины и со стороны выхода из него - к теплообменному аппарату пенного типа.

В описанных выше способе и установке для его осуществления достигается возможность повысить эффективность нагрева воды в контактном теплообменном аппарате пенного типа путем подачи на его вход высокотемпературной парогазовой смеси, а также обеспечивается возможность путем использования теплового насоса охлаждать теплоноситель на входе в теплообменный аппарат пенного типа и дополнительно нагревать теплоноситель на выходе из теплообменного аппарата пенного типа за счет использования отобранной тепловым насосом теплоты. Поскольку процессы в теплообменном аппарате пенного типа протекают в условиях существенной термодинамической неравновесности парожидкостного потока, в результате массовое паросодержание может существенно отличаться от равновесного, соответствующего линии насыщения. Искусственное увеличение парциального давления водяных паров в выхлопных газах обеспечивает повышение температуры нагреваемой воды до 80-90^oС.

Регулировка температуры теплоносителя на входе в теплообменный аппарат пенного типа и температуры, подаваемой в теплообменный аппарат пенного типа парогазовой высокотемпературной смеси, связана с тем, что, с одной стороны, применение теплообменных аппаратов пенного типа с контактным теплообменом или, другими словами, с теплообменом при непосредственном контакте высокотемпературной парогазовой среды и жидкого теплоносителя, движущихся в противотоке, позволяет значительно интенсифицировать тепломассообменные процессы и существенно повысить эффективность теплообменного аппарата, а с другой стороны, применение теплообменных аппаратов пенного типа в системах отопления затрудняется тем, что с увеличением температуры поступающей в теплообменной аппарат воды эффективность его значительно снижается, поскольку тепломассообменные процессы в пенном слое в зависимости от температуры воды (теплоносителя) могут протекать как с уменьшением паросодержания в газовом потоке, так и с его увеличением. При температуре воды на входе в теплообменный аппарат пенного типа и на выходе из него, меньшей точки выпадения росы, парциальное давление паров воды в парогазовом потоке выше, чем у поверхности воды, конденсация пара происходит во всем объеме контактной камеры. В случае, когда температура воды на выходе из теплообменника соответствует точке росы, значения парциального давления водяных паров в газе и на поверхности воды будут равны, и при противотоке теплоносителей конденсации пара в нижней части теплообменника не происходит. Когда конечная температура воды выше точки росы, в нижней зоне контактной камеры происходит испарение подогреваемой воды и увеличение паросодержания газов. Если при этом начальная температура воды была ниже точки росы, то конечное паросодержание уменьшится, в противном случае содержание влаги в газах увеличится, что крайне нецелесообразно, поскольку эффективность контактного теплообменника в этом случае существенно снижается. Именно этот случай имеет место при работе контактного аппарата в системе отопления без охлаждения подаваемой на его вход воды. Проведенные промышленные испытания пенного теплообменного аппарата в системе газотурбинной установки при температуре подаваемой на его вход воды порядка +15. . . 20^oС показали, что тепловой КПД установки достигает 90%.

Получение таких значений теплового КПД установки с контактным аппаратом, работающим в отопительной сети, требует применения тепловых насосов. Однако для обеспечения работы теплового насоса приходится тратить части энергии, что в конечном счете снижает эффективный КПД установки. Отбираемая от свободной турбины на привод турбокомпрессора теплового насоса мощность может составлять до 15-20% от мощности свободной турбины газотурбинного привода.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективного КПД установки утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки за счет исключения отбора мощности от свободной турбины на привод теплового насоса, снижения потерь энергии потока выхлопных газов газотурбинной установки и создания оптимальных условий для работы теплообменного аппарата пенного типа.

Поставленная задача в части способа утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки решается за счет того, что в способе утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, включающем подвод в компрессор низкого давления газотурбинной установки воздуха, сжатие его в последнем, привод выхлопными газами газотурбинной установки свободной турбины, привод от последней электрогенератора, охлаждение входного потока теплоносителя потоком среды после турбодетандера, нагрев части теплоносителя в испарителе-смесителе выхлопными газами после свободной турбины с формированием высокотемпературной парогазовой смеси, нагрев теплоносителя высокотемпературной парогазовой смесью в теплообменном аппарате пенного типа, подачу из последнего теплоносителя в выходной теплообменник, дополнительный нагрев теплоносителя в последнем и подачу теплоносителя потребителю, нагрев теплоносителя в выходном теплообменнике осуществляют путем подачи в него воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления, после чего охлажденный в выходном теплообменнике сжатый воздух подают в компрессор высокого давления газотурбинной установки и на вход турбодетандера, а из теплообменного аппарата пенного типа часть нагретого в нем теплоносителя подают в испаритель-смеситель.

В части установки утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки поставленная задача решается за счет того, что в установке утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, содержащей газотурбинную установку с компрессорами низкого и высокого давления, свободную турбину, кинематически связанную с электрогенератором и турбодетандером, теплообменный аппарат пенного типа с входным теплообменником, насосом, выходным теплообменником и испарителем-смесителем, при этом входной теплообменник подключен к теплообменному аппарату пенного типа и к турбодетандеру, насос подключен входом к выходу теплоносителя из теплообменного аппарата пенного типа и выходом - к выходному теплообменнику, а испаритель-смеситель со стороны входа в него подключен к выходу выхлопных газов из свободной турбины и со стороны выхода из него - к теплообменному аппарату пенного типа, при этом компрессор низкого давления со стороны выхода из него подключен к выходному теплообменнику, последний подключен к компрессору высокого давления и к турбодетандеру, а испаритель-смеситель со стороны входа в него подключен к выходу насоса.

Использование теплового насоса в техническом решении, взятом за прототип, позволяет "перебрасывать" часть тепловой энергии с входа теплоносителя в теплообменный аппарат пенного типа на его выход. В результате достигается возможность дополнительного охлаждения теплоносителя, поступающего на вход пенного теплообменника и нагрева теплоносителя, подаваемого потребителю. Однако обеспечение возможности такой переброски тепла достигается за счет затраты части энергии выхлопных газов, которые поступают на свободную турбину, поскольку часть энергии последней должна расходоваться на привод в действие теплового насоса.

В описываемой установке, в которой осуществлен способ утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, вся энергия, получаемая от свободной турбины, расходуется на получение электроэнергии, а срабатывание энергии сжатого воздуха в турбодетандере позволяет еще больше увеличить подводимую к электрогенератору энергию, что при тех же, что и у прототипа затратах энергии на привод свободной турбины позволяет большую, чем у прототипа, часть энергии расходовать на получение электроэнергии. Кроме того, в описываемом способе и установке его реализующей удалось добиться более сбалансированного использования производимой газотурбинной установкой энергии. Дополнительный подогрев теплоносителя производится в выходном теплообменнике сжатым и нагретым воздухом из компрессора низкого давления. В выходном теплообменнике сжатый воздух охлаждается и только после этого он поступает в турбодетандер, где он еще более охлаждается в процессе расширения. В результате достигается возможность одновременно контролировать и регулировать сразу несколько параметров работы газотурбинной установки, а именно температуру сжатого воздуха, подаваемого в компрессор высокого давления, температуру теплоносителя, подаваемого потребителю, температуру сжатого воздуха, подаваемого в турбодетандер и, как следствие последнего, температуру воздуха, подаваемого во входной теплообменник для охлаждения теплоносителя, который поступает в теплообменный аппарат пенного типа, что в свою очередь позволяет создать оптимальные условия для его работы. При этом отводом части теплоносителя после теплообменного аппарата пенного типа на вход в испаритель-смеситель обеспечивается обратная связь по регулированию режима работы теплообменного аппарата пенного типа. Как видим, в описанном способе работы и установке его реализующей удалось добиться исключения отбора мощности от свободной турбины на привод теплового насоса, гибкого регулирования потоков тепла при уменьшении непроизводительных потерь энергии, что и позволило повысить эффективный КПД энергоустановки на базе газотурбинного двигателя.

На чертеже представлена принципиальная схема установки утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки.

Установка утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки содержит газотурбинную установку 1 с компрессорами 2, 3 низкого и высокого давления, свободную турбину 4, кинематически связанную с электрогенератором 5 и турбодетандером 6, теплообменный аппарат 7 пенного типа с входным теплообменником 8, насосом 9, выходным теплообменником 10 и испарителем-смесителем 11, при этом входной теплообменник 8 подключен к теплообменному аппарату 7 пенного типа и к турбодетандеру 6, насос 9 подключен входом к выходу теплоносителя из теплообменного аппарата 7 пенного типа и выходом - к выходному теплообменнику 10, а испаритель-смеситель 11 со стороны входа в него подключен к выходу выхлопных газов из свободной турбины 4 и со стороны выхода из него - к теплообменному аппарату 7 пенного типа. Компрессор 2 низкого давления со стороны выхода из него подключен к выходному теплообменнику 10, последний подключен к компрессору 3 высокого давления и к турбодетандеру 6, а испаритель-смеситель 11 со стороны входа в него подключен к выходу насоса 9. Со стороны входа в компрессор 2 низкого давления газотурбинной установки 1 последовательно установлены система воздухоочистки 12 и шумоглушения 13, перед свободной турбиной установлены газодинамическая система стабилизации давления 14 и камера дополнительного подогрева газа 15, а со стороны выхода газообразной среды из теплообменного аппарата пенного типа 7 может быть установлен брызгоуловитель 16.

Способ утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки реализуется следующим образом.

Атмосферный воздух забирается из окружающей установку среды и, пройдя системы воздухоочистки 12 и шумоглушения 13, поступает на сжатие в компрессор 2 низкого давления газотурбинной установки 1, после чего сжатый и нагретый в процессе сжатия воздух направляется в выходной теплообменник 10 для дополнительного нагрева теплоносителя (чаще всего воды) перед подачей его потребителю, например в систему водяного отопления. Из выходного теплообменника 10 часть охлажденного в последнем сжатого воздуха поступает в компрессор 3 высокого давления газотурбинной установки 1, а другая часть охлажденного сжатого воздуха поступает в турбодетандер 6. Одновременно выхлопные газы газотурбинной установки 1 приводят в действие свободную турбину 4 с приводом от последней электрогенератора 5, а охлажденный сжатый воздух, расширяясь в турбодетандере 6, еще больше охлаждается, причем снятая с турбодетандера 6 механическая энергия от расширения сжатого воздуха также может направляться на привод электрогенератора 5. Охлажденный до низкой температуры воздух из турбодетандера 6 направляется во входной теплообменник 8 для охлаждения теплоносителя (в случае системы водяного отопления воды из этой системы) перед его поступлением в теплообменный аппарат пенного типа 7, а выхлопные газы после свободной турбины 4 поступают в испаритель-смеситель 11. В последний одновременно насосом 9 подается часть нагретого теплоносителя из теплообменного аппарата 7 пенного типа. В процессе смешения в испарителе-смесителе 11 теплоносителя и выхлопных газов формируется высокотемпературная парогазовая смесь, которая подается из испарителя-смесителя 11 в теплообменный аппарат 7 пенного типа для нагрева поступающего в него из входного теплообменника 8 теплоносителя. Из теплообменного аппарата 7 пенного типа нагретый теплоноситель насосом 9 подают в выходной теплообменник 10 для дополнительного нагрева перед подачей потребителю и часть теплоносителя, как указывалось выше, подают в испаритель-смеситель 11.

Данное изобретение может быть использовано везде, где необходимо получение электрической и тепловой энергии, например в качестве автономного теплоэлектрогенератора в местах отсутствия централизованного электро- и теплоснабжения.

Формула изобретения

1. Способ утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, включающий подвод в компрессор низкого давления газотурбинной установки воздуха, сжатие его в последнем, привод выхлопными газами газотурбинной установки свободной турбины, привод от последней электрогенератора, охлаждение входного потока теплоносителя потоком среды после турбодетандера, нагрев части теплоносителя в испарителе-смесителе выхлопными газами после свободной турбины с формированием высокотемпературной парогазовой смеси, нагрев теплоносителя высокотемпературной парогазовой смесью в теплообменном аппарате пенного типа, подачу из последнего теплоносителя в выходной теплообменник, дополнительный нагрев теплоносителя в последнем и подачу теплоносителя потребителю, отличающийся тем, что нагрев теплоносителя в выходном теплообменнике осуществляют путем подачи в него воздуха, сжатого в компрессоре низкого давления, после чего охлажденный в выходном теплообменнике сжатый воздух подают в компрессор высокого давления газотурбинной установки и на вход турбодетандера, а из теплообменного аппарата ценного типа часть нагретого в нем теплоносителя подают в испаритель-смеситель.

2. Установка утилизации низкопотенциальной энергии выхлопных газов газотурбинной установки, содержащая газотурбинную установку с компрессорами низкого и высокого давления, свободную турбину, кинематически связанную с электрогенератором и турбодетандером, теплообменный аппарат пенного типа с входным теплообменником, насосом, выходным теплообменником и испарителем-смесителем, при этом входной теплообменник подключен к теплообменному аппарату пенного типа и к турбодетандеру, насос подключен входом к выходу теплоносителя из теплообменного аппарата пенного типа и выходом - к выходному теплообменнику, а испаритель-смеситель со стороны входа в него подключен к выходу выхлопных газов из свободной турбины и со стороны выхода из него - к теплообменному аппарату пенного типа, отличающаяся тем, что компрессор низкого давления со стороны выхода из него подключен к выходному теплообменнику, последний подключен к компрессору высокого давления и к турбодетандеру, а испаритель-смеситель со стороны входа в него подключен к выходу насоса.

РИСУНКИ

Рисунок 1