Газотурбинная установка

 

Газотурбинная установка с регулированием тепловой мощности, относящаяся к энергетическому машиностроению и, в частности, к энергетическим установкам стационарного и транспортного назначения, содержит газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания, турбину, и установленный последовательно с ним по газу регенератор, утилизационный теплообменник. Регенератор сообщен подводящим воздуховодом с выходом компрессора, а отводящим воздуховодом с камерой сгорания. Газотурбинная установка снабжена соединяющим подводящий и отводящий воздуховоды байпасным воздуховодом и устройством для регулирования расхода воздуха, проходящего по отводящему и байпасному воздуховодам. Устройство для регулирования расхода воздуха может быть выполнено в виде трехходового клапана, установленного в месте соединения байпасного и отводящего воздуховодов, или в виде установленных в байпасном и отводящем воздуховодах отдельных регулирующих клапанов. Изобретение позволяет при сезонном изменении температуры наружного воздуха зимой увеличивать количество производимой ГТУ тепловой энергии, а летом (при снижении потребности в теплоте) производить электрическую энергию с большим КПД (при меньшем расходе топлива). При этом регулирование реализуется практически без заметного увеличения габаритов и массы ее оборудования и без снижения надежности арматуры и ГТУ в целом. 2 ил.

Предлагаемое техническое решение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано в качестве энергетической установки стационарного и транспортного назначения.

Предпочтительное применение - энергетические установки теплоэлектроцентралей (ТЭЦ), для которых характерно значительное сезонное изменение потребностей в производимых тепловой и электрической энергиях.

Известно, что высокой экономичностью обладают газотурбинные установки (ГТУ) регенеративного типа с утилизацией теплоты отходящих от турбины газов. Наличие регенератора в составе ГТУ не только существенно повышает ее КПД, но и позволяет за счет изменения его эффективности (степени регенерации) воздействовать на мощность ГТУ. Регулированием расхода горячих газов, направляемых к регенератору, на всережимной корабельной ГТУ RM-60 мощностью 4МВт осуществлялся переход с режима максимальной мощности на более экономичные режимы меньших мощностей (Шварц В.А. Конструкции ГТУ. М.: Машиностроение, 1970, с. 362, 363).

Более глубокая утилизация теплоты выпускных газов свойственна ГТУ ТЭЦ. Они, как правило, имеют в своем составе воздухоподогреватели и теплообменники для нагрева сетевой воды или получения пара. С помощью системы шиберов, управляющих потоком горячих газов, обеспечиваются различные режимы работы ГТУ. Например:

- без регенерации и теплофикации;

- с регенерацией, но без теплофикации;

- без регенерации, но с теплофикацией;

- с регенерацией и теплофикацией.

Такая система (Шварц В.А. Конструкции ГТУ М.: Машиностроение, 1970, стр.13, рис. 5) дает наглядное представление о соотношении габаритных размеров газовых и воздушных магистралей; кроме того, обращают на себя внимание размеры регулирующих шиберов, находящихся в потоке горячих газов, как правило, с неравномерным распределением температуры и, следовательно, подверженных короблению, разгерметизации, заклиниванию в процессе эксплуатации ГТУ. Это, в конечном счете, снижает ее надежность.

Байпасирование газового тракта регенератора с целью управления тепловой мощностью реализовано в ГТУ, конструктивная схема которой приведена в патенте США № 5396760 от 14.03.95.

Показано, что установка газовых дисковых затворов в байпасной магистрали требует профилирования участков входа газа в регенератор и байпас. Это, кроме роста габаритов и массы трубопроводов, приводит к усложнению их конструктивного выполнения.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является ГТУ ТЭЦ с регулированием тепловой мощности (патент США № 5193337, опубл. 16.03.93), состоящая из газотурбинного блока, регенератора, соединенного с газотурбинным блоком газоходом с регулируемым байпасом и отводящими и подводящими воздушными трубопроводами, а также теплообменника-утилизатора теплоты выпускных газов. Клапан, установленный на газовом байпасе, осуществляет регулирование расхода газа, проходящего через регенератор, тем самым, его степени регенерации и температуры газа за ним. Открытие клапана приводит к росту температуры газа перед теплообменником-утилизатором, а значит, к увеличению его тепловой мощности.

Применение газового регулирования ведет к повышению массогабаритных показателей установки. Это связано с тем, что объемный расход газа, имеющего высокую температуру (t_Г=500...600°C) и низкое (близкое к атмосферному) давление, из-за малой его плотности весьма велик (объемный расход газа много больше объемного расхода сжатого воздуха). Для пропуска газа по байпасному газоходу последний должен иметь большие размеры поперечного сечения. Как следствие, велики и размеры регулирующего органа клапана, находящегося под воздействием высокой температуры газового потока, что снижает эксплуатационную надежность ГТУ в целом. Кроме того, высокая температура среды в газовом байпасе, их значительная поверхность (даже при наличии изоляции) приводят к росту тепловых потерь, к увеличению затрат энергии на вентиляцию и обеспечение приемлемого микроклимата в помещении ТЭЦ.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения габаритов регулируемой регенеративной ГТУ, упрощения конструкции и повышения надежности регулирующих клапанов и установки в целом.

Для решения указанной задачи газотурбинная установка с регулированием тепловой мощности, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, установленный последовательно с ним по газу регенератор, сообщенный подводящим воздуховодом с выходом компрессора, а отводящим воздуховодом с камерой сгорания, и утилизационный теплообменник, снабжена соединяющим подводящий и отводящий воздуховоды байпасным воздуховодом и устройством для регулирования расхода воздуха, проходящего по отводящему и байпасному воздуховодам, которое выполнено или в виде трехходового клапана, установленного в месте соединения байпасного и отводящего воздуховодов, или в виде установленных в байпасном и отводящем воздуховодах отдельных регулирующих клапанов.

Предлагаемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в нем отсутствуют громоздкие байпасные газовые магистрали. В связи с тем, что давление сжатого воздуха существенно выше давления выпускных газов, габариты, масса трубопроводов и арматура значительно меньше. Нет потребности в дополнительной изоляции, практически не увеличиваются тепловыделения в помещении станции.

При улучшении массогабаритных характеристик байпасной линии упрощается обслуживание и повышается надежность регулирующего клапана и ГТУ в целом.

На фиг.1, 2 изображены принципиальные схемы газотурбинных установок с одним (фиг.1) и двумя (фиг.2) клапанами, используемыми для регулирования расхода воздуха, подаваемого к регенератору.

ГТУ (фиг.1, 2) содержит газотурбинный блок (ГБ) 1, имеющий в своем составе компрессор 2, камеру сгорания 3 и газовую турбину 4. Последовательно с ГБ 1 по газу установлены регенератор 5 и утилизационный теплообменник 6. Регенератор 5 сообщен подводящим воздуховодом 7 с выходом компрессора 2 и отводящим воздуховодом 8 с камерой сгорания 3. Подводящий 7 и отводящий 8 воздуховоды соединены байпасным воздуховодом 9. При этом ГТУ снабжена устройством для регулирования расхода воздуха, проходящего по отводящему 8 и байпасному 9 воздуховодам, которое может быть выполнено в виде трехходового клапана 10 (фиг.1), установленного в месте соединения отводящего 8 и байпасного 9 воздуховодов, или в виде отдельных регулирующих клапанов 11 и 12 (фиг.2), установленных в каждом из этих воздуховодов.

При эксплуатации ГТУ (фиг.1) отработавшие газы от ГБ 1 поступают в газовый тракт регенератора 5, отдают теплоту воздуху, охлаждаются и направляются к утилизационному теплообменнику 6.

Сжатый воздух от компрессора 2 движется по подводящему воздуховоду 7 к регенератору 5, нагревается, воспринимая теплоту от газов, и по отводящему воздуховоду 8 через трехходовой клапан 10 поступает к камере сгорания 3.

За счет перемещения регулирующего органа клапана 10 осуществляется открытие байпасного воздуховода 9 и прикрытие отводящего воздуховода 8, по которому воздух подводится к ГБ 1. При этом изменяется расход воздуха, движущегося в воздушном тракте регенератора 5 и охлаждающего горячие газы. Вследствие этого изменяется температура газов за регенератором 5 и тепловая мощность утилизационного теплообменника 6. Наряду с изменением теплоты отходящих из регенератора 5 газов меняется температура воздуха, направляемого в ГБ 1, а значит, степень регенерации ГТУ, ее электрический КПД.

При эксплуатации ГТУ (фиг.2) регулирование расхода воздуха, подаваемого к регенератору 5, осуществляется регулирующим клапаном 11, установленным на байпасном воздуховоде 9, и регулирующим клапаном 12, установленным на отводящем воздуховоде 8.

При такой схеме может быть осуществлено как одновременное, так и последовательное по времени управление клапанами 11 и 12. В последнем случае, при открытом клапане 12 на отводящем воздуховоде 8 открывают клапан 11 на байпасном воздуховоде 9, а затем, при полностью открытом клапане 11, закрывают клапан 12. Это обеспечивает изменение температуры газов за регенератором 5 и тепловой мощности утилизационного теплообменника 6.

Предлагаемое техническое решение позволяет при сезонном изменении температуры наружного воздуха: зимой увеличивать количество производимой ГТУ тепловой энергии, а летом (при снижении потребности в теплоте) - производить электрическую энергию с большим КПД (при меньшем расходе топлива).

Такое регулирование ГТУ реализуется практически без заметного увеличения габаритов и массы ее оборудования и без снижения надежности арматуры и ГТУ в целом.

Формула изобретения

Газотурбинная установка с регулированием тепловой мощности, содержащая газотурбинный блок, включающий компрессор, камеру сгорания и турбину, установленный последовательно с ним по газу регенератор, сообщенный подводящим воздуховодом с выходом компрессора, а отводящим воздуховодом с камерой сгорания, и утилизационный теплообменник, отличающаяся тем, что она снабжена соединяющим подводящий и отводящий воздуховоды байпасным воздуховодом и устройством для регулирования расхода воздуха, проходящего по отводящему и байпасному воздуховодам, которое выполнено или в виде трехходового клапана, установленного в месте соединения байпасного и отводящего воздуховодов, или в виде установленных в байпасном и отводящем воздуховодах отдельных регулирующих клапанов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2