Парогазовая турбоустановка
Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для производства электрической и тепловой энергии. Турбоустановка включает теплообменное оборудование, которое размещается на газовом тракте установки между выхлопом силовой парогазовой турбины и конденсатором смешивающего типа, а также на выхлопе вакуумного компрессора установки. В состав оборудования парогазовой турбоустановки входит льдогенератор «сухого льда», получаемого из углекислого газа, выделившегося из жидкого химического абсорбента в регенераторе абсорбента, охладитель атмосферного воздуха на входе в воздушный компрессор установки, который функционирует при повышенной положительной температуре окружающей среды (выше 5°С) и охладитель углекислого газа, который размещен на тракте углекислого газа между регенератором абсорбента и льдогенератором «сухого льда». Изобретение позволяет увеличить полезную мощность турбоустановки, КПД турбоустановки и удаление из сбрасываемых в атмосферу уходящих газов турбоустановки до 95-97% углекислого газа (CO2). 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники.
Настоящее изобретение относится к тепловым энергетическим установкам, а более точно - к парогазовым турбоустановкам смешивающего типа.
Предшествующий уровень техники.
В настоящее время одной из важнейших проблем современной тепловой энергетики является повышение полезной удельной единичной мощности* (*Полезная удельная единичная, мощность - полезная единичная мощность энергетического агрегата, отнесенная к 1 кг/с воздуха, поступающего в воздушный компрессор установки) и экономичности тепловых энергетических агрегатов при одновременном улучшении их маневренных характеристик.
Следует также отметить, что вопрос защиты окружающей среды от воздействия вредных выбросов тепловых энергетических установок на данном этапе развития общества имеет не менее важное значение.
Известна тепловая энергетическая установка (см. МПК F01K 21/04 UK Patent Application GB 2074659 A), содержащая воздушный компрессор, установленный на одном валу с силовой парогазовой турбиной, вакуумным компрессором, противодавленческой силовой паровой турбиной (при использовании в составе турбоустановки в качестве устройства для получения парогазовой смеси высоконапорного парогенератора вместо камеры сгорания) и электрическим генератором. На выхлопе силовой парогазовой турбины установлен подогреватель питательной воды, подогретая вода или пар из которого, в зависимости от варианта выполнения энергетической установки, направляются в высоконапорный парогенератор, соединенный с противодавленческой силовой паровой турбиной, или камеру сгорания.
В варианте выполнения энергетической установки с высоконапорным парогенератором и противодавленческой силовой паровой турбиной пар, генерируемый высоконапорным парогенератором, поступает в противодавленческую силовую паровую турбину, а выхлопной пар из паровой турбины впрыскивается в уходящие газы высоконапорного парогенератора, образуя парогазовую смесь, которая направляется в силовую парогазовую турбину. В варианте выполнения энергетической установки с камерой сгорания парогазовая смесь образуется в камере сгорания и направляется в силовую парогазовую турбину. Парогазовая смесь, отработавшая в силовой парогазовой турбине, используется для регенеративного подогрева питательной воды в подогревателе питательной воды.
Тепловая энергетическая установка в своем составе содержит конденсатор смешивающего типа, подключенный входом газового тракта к выходу газового тракта подогревателя питательной воды, а выходом водяного тракта, соединенного с входом в поверхности нагрева подогревателя питательной воды и входом в поверхности охлаждения водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа и газоохладителя неконденсируемых газов, установленного на входе вакуумного компрессора установки.
В качестве водоохладителя в тепловой энергетической установке использована градирия Геллера, но может быть применен водо-водяной теплообменник.
Коэффициент полезного действия (КПД) данной энергетической установки в зависимости от варианта выполнения и при достигнутом в настоящее время в стационарных турбоустановках уроне максимальных температур газовой рабочей среды и принятых в противодавленческой силовой паровой турбине параметрах пара, составляет порядка 47-52%.
Рассматриваемая тепловая энергетическая установка обладает ограниченными теплофикационными возможностями. Установка способна выдать потребителю тепловую энергию для целей теплоснабжения и горячего водоснабжения в значительно меньших объемах, чем альтернативные энергоагрегаты. В выбрасываемых энергетической установкой в атмосферу уходящих газах содержится значительное количество углекислого газа (CO2), что способствует изменению температуры окружающей среды на нашей планете.
Раскрытие изобретения.
В основу изобретения положена задача создания парогазовой турбоустановки смешивающего типа, оснащение которой дополнительными устройствами, позволяющими осуществлять более глубокую утилизацию тепла в термодинамическом цикле установки и обеспечивать удаление из уходящих газов турбоустановки углекислого газа, приводило бы к возможности увеличения выдачи потребителю тепловой энергии для целей теплоснабжения и горячего водоснабжения, полезной удельной единичной мощности и КПД турбоустановки, а также способствовало снижению вредного воздействия газообразных выбросов установки на атмосферу.
Согласно изобретению в парогазовой турбоустановке смешивающего типа, содержащей воздушный компрессор, установленный на одном валу с парогазовой силовой турбиной, вакуумным компрессором, противодавленческой силовой паровой турбиной (при использовании в составе установки в качестве устройства для получения парогазовой смеси высоконапорного парогенератора вместо камеры сгорания) и электрическим генератором, подогреватель питательной воды, газовый тракт которого сообщен с выхлопом парогазовой силовой турбины, а пароводяной тракт на выходе из него подключен к устройству для получения парогазовой смеси (в зависимости от варианта выполнения парогазовой турбоустановки смешивающего типа это может быть камера сгорания или высоконапорный парогенератор). В состав турбоустановки входит конденсатор смешивающего типа, вход газового тракта которого подключен к выходу газового тракта, погревателя питательной воды, а выход газового тракта конденсатора сообщается с входом в вакуумный компрессор. Турбоустановка содержит также водоохладитель, вход водяного тракта которого подключен к выходу водяного тракта конденсатора смешивающего типа, а выход водяного тракта замыкается на напорную водяную магистраль конденсатора смешивающего типа.
Предлагаемая парогазовая турбоустановка смешивающего типа дополнительно содержит охладитель выхлопа вакуумного компрессора, вход газового тракта которого подключен к выхлопу вакуумного компрессора, а выхлоп газового тракта соединен с входом газового тракта охладителя уходящих газов установки. Уходящие газы после прохода по газовому тракту охладителя уходящих газов сбрасываются через дымовую трубу в атмосферу.
Водяной тракт охладителя уходящих газов по входу соединен с выходным водяным трактом водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа, а по выходному водяному тракту замыкается на вход водяного тракта охладителя выхлопа вакуумного компрессора. Выход водяного тракта охладителя выхлопа вакуумного компрессора соединен с выходным водяным трактом конденсатора смешивающего типа.
На тракте неконденсируемых газов, выходящих из конденсатора смешивающего типа, размещен абсорбер, в котором за счет воздействия на неконденсируемые газы жидкого химического абсорбента, например моноэтаноламина или диэтаноламина, осуществляется удаление из неконденсируемых газов углекислого газа (CO2). Выхлопной газовый тракт абсорбера подключен к входному патрубку вакуумного компрессора, а входной газовый тракт абсорбера соединен с выхлопным патрубком неконденсируемых газов, выходящих из конденсатора. Циркуляция жидкого химического абсорбента через абсорбер осуществляется по замкнутому контуру, на котором последовательно по ходу циркуляции абсорбента размещен насос, откачивающий жидкий химический абсорбент из абсорбера, регенеративный теплообменник абсорбента, регенератор с размещенным внутри его корпуса, например, электрическим нагревателем абсорбента или нагревателем какого-либо другого типа, охладитель абсорбента и дроссельный клапан.
На выхлопном тракте углекислого газа, выделившегося из абсорбента при его нагреве в регенераторе, размещен охладитель углекислого газа, выхлопной газовый патрубок которого посредством системы трубопроводов с установленными на них запорно-регулирующими вентилями и дроссельными клапанами соединен с льдогенератором «сухого» льда и охладителем воздуха на входе в воздушный компрессор турбоустановки. Водяной тракт охладителя углекислого газа по входу замыкается на выходной водяной тракт водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа, а по выходу - на входной водяной тракт охладителя выхлопа, вакуумного компрессора и бак-накопитель подогретой воды.
Льдогенератор «сухого» льда оснащен водяной рубашкой, в которую периодически из бака-накопителя подогретой воды подается подогретая вода для удаления из льдогенератора товарного «сухого» льда. Товарный «сухой» лед из льдогенератора поступает в хранилище, из которого поставляется потребителю (химическую или пищевую промышленность).
Выходные газовые патрубки льдогенератора и охладителя воздуха на входе в воздушный компрессор турбоустановки замыкаются на охладитель абсорбента, из которого углекислый газ сбрасывается в абсорбер.
В газовом тракте турбоустановки между подогревателем питательной воды и конденсатором смешивающего типа установлен охладитель парогазовой смеси, входной газовый патрубок которого соединен с выхлопным патрубком подогревателя питательной воды, а выходной газовый патрубок - с входным газовым патрубком конденсатора смешивающего типа. По водяной стороне входной патрубок охладителя парогазовой смеси замыкается на выхлопной водяной патрубок водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа, а выходной патрубок - на бак-накопитель подогретой воды.
Из бака-накопителя подогретой воды по трубопроводу, оснащенному соответствующей запорно-регулирующей арматурой и насосом, подогретая вода периодически подается в рубашку льдогенератора. Из рубашки льдогенератора охлажденная вода сбрасывается на вход напорной водяной магистрали конденсатора смешивающего типа. Бак-накопитель подогретой воды обеспечивает подачу питательной воды в подогреватель питательной воды посредством трубопровода подогретой воды с установленной на нем соответствующей запорно-регулирующей арматурой и насосом.
В предлагаемой парогазовой турбоустановке смешивающего типа достигается более глубокая утилизация тепла рабочего тела установки (парогазовой смеси) за счет его расширения в силовой парогазовой турбине до давления атмосферного и оснащения турбоустановки дополнительными устройствами утилизации тепла парогазовой смеси, что обеспечивает возможность получения высокого КПД и полезной удельной единичной мощности агрегата. При достигнутом в современных стационарных газотурбоустановках уровне максимальных температур газовой рабочей среды и степени повышения давления, сжимаемого в воздушном компрессоре воздуха, в турбоустановке, выполненной без промежуточного охлаждения циклового воздуха в процессе сжатия и без промежуточного перегрева парогазовой смеси в процессе расширения в силовой парогазовой турбине, в зависимости от варианта исполнения, достигается КПД в пределах 51-57%.
Введение в термодинамический цикл парогазовой турбоустановки смешивающего типа промежуточного охлаждения воздуха в процессе сжатия и промежуточного перегрева парогазовой смеси в процессе расширения позволяет повысить КПД турбоустановки на 5% абсолютных и увеличить полезную удельную единичную мощность на 11%.
Наличие в составе предлагаемой парогазовой турбоустановки смешивающего типа вакуумного компрессора, конденсатора смешивающего типа, водоохладителя охлаждающей воды конденсатора, абсорбера и охладителей газовых сред, циркулирующих в газовом тракте установки, позволяет получить на турбоустановке следующие замкнутые контуры жидких сред, циркулирующих в соответствующих трактах установки:
- Контур подачи подогретой питательной воды, пароводяной смеси, насыщенного или перегретого водяного пара в устройство для получения парогазовой смеси;
- Контур охлаждения охлаждающей жидкости (конденсата), подаваемой в конденсатор смешивающего типа;
- Контур циркуляции жидкого химического абсорбента, обеспечивающего удаление углекислого газа из неконденсируемых газов;
- Контур дополнительного охлаждения парогазовой смеси, поступающей в конденсатор смешивающего типа, уходящих газов, сбрасываемых в атмосферу, и углекислого газа, удаленного из неконденсируемых газов.
Конденсатор смешивающего типа и обусловленные его наличием вышеуказанные замкнутые контуры циркуляции жидких сред обеспечивают конденсацию водяных паров, входящих в состав парогазовой смеси, что позволяет ликвидировать потери химически очищенной воды и осуществить накопление избыточного конденсата, получаемого из водяных паров продуктов сгорания органического топлива в количестве порядка 1,29 кг/с конденсата на каждый килограмм сожженного топлива.
Маневренные характеристики предлагаемой парогазовой турбоустановки смешивающего типа значительно улучшены благодаря имеющейся возможности поддерживать неизменными начальные параметры парогазовой смеси в широком диапазоне изменения нагрузки установки. Постоянный удельный расход топлива обеспечивается на турбоустановке в диапазоне изменения номинальной единичной мощности от 100% до 55%.
Предлагаемая парогазовая турбоустановка оказывает существенно меньшее воздействие на окружающую среду, чем современные альтернативные энергоисточники. В процессе эксплуатации турбоустановки имеется возможность практически полностью ликвидировать выбросы в атмосферу окисных соединений азота, так как сжигание органического топлива в турбоустановке осуществляется с малыми коэффициентами избытка воздуха (α=1,01-1,02), а расхолаживание газов продуктов сгорания органического топлива до расчетной температуры производится инертной средой (подогретой питательной водой, пароводяной смесью, насыщенным или перегретым водяным паром).
Кроме практически полной ликвидации выброса в атмосферу окисных соединений азота, турбоустановка в процессе эксплуатации обеспечивает резкое сокращение выброса в окружающую среду углекислого газа (CO2). Сокращение выброса углекислого газа обеспечивается наличием в составе установки абсорбера и замкнутого контура циркуляции жидкого химического абсорбента, с входящими в структуру замкнутого контура циркуляции дополнительными устройствами, которые способствуют удалению углекислого газа из неконденсируемых газов до их сброса в атмосферу. Из неконденсируемых газов извлекается до 95-97% углекислого газа, содержавшегося в них,
В дальнейшем сущность изобретения поясняется вариантами его выполнения.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1 отображает принципиальную тепловую схему парогазовой турбоустановки смешивающего типа согласно изобретению.
Фиг.2 отображает вариант выполнения принципиальной тепловой схемы парогазовой турбоустановки смешивающего типа согласно изобретению.
Фиг.3 отображает принципиальное конструктивно-компоновочное решение элемента (охладителя газовых сред) принципиальной тепловой схемы парогазовой турбоустановки смешивающего типа согласно изобретению.
Варианты осуществления изобретения.
Парогазовая турбоустановка смешивающего типа (Фиг.1) содержит охладитель 1 атмосферного воздуха, поступающего в термодинамический установки, воздушный компрессор 2, установленный на одном валу 3 с силовой парогазовой турбиной 4, вакуумным компрессором 5 и электрическим генератором 6. Охладитель 1 воздуха входным воздушным патрубком сообщается с атмосферой, а выходным воздушным патрубком - с входным патрубком воздушного компрессора 2. Воздушный компрессор 2 последовательно соединен по газовому тракту с устройством 7 для получения парогазовой смеси и силовой парогазовой турбиной 4. В качестве устройства 7 для получения парогазовой смеси в данном варианте выполнения парогазовой турбоустановки смешивающего типа использована камера сгорания.
Турбоустановка оснащена подогревателем 8 питательной воды, входной газовый тракт которого замыкается на выхлопной патрубок силовой парогазовой турбины 4. Пароводяной тракт на выходе из подогревателя 8 питательной воды подключен к устройству 7 для получения парогазовой смеси. Выхлопной газовый тракт подогревателя 8 питательной воды сообщается с входным газовым патрубком охладителя 9 парогазовой смеси, а из выходного газового патрубка охладителя 9 парогазовая смесь направляется в конденсатор 10 смешивающего типа, который входит в состав оборудования турбоустановки. Конденсатор 10 смешивающего типа входом газового тракта подключен к выходу газового тракта охладителя 9 парогазовой смеси, который выходом водяного тракта соединен с баком-накопителем 11 подогретой воды. Из бака-накопителя 11 подогретой воды по водяной магистрали, на которой последовательно размещены запорно-регулирующий вентиль 12 и насос 13, подогретая вода подается в поверхности нагрева подогревателя 8 питательной воды. В схему турбоустановки включен также водоохладитель 14, вход водяного тракта которого соединен с выходом водяного тракта конденсатора 10 смешивающего типа, а выход водяного тракта подключен к входу водяного тракта конденсатора 10 и входу водяного тракта охладителя 9 парогазовой смеси. На входном водяном тракте водоохладителя 14 установлен насос 15. При таком соединении указанных элементов парогазовой турбоустановки смешивающего типа образуется замкнутый контур подачи охлаждающей воды в конденсатор 10 смешивающего типа и замкнутый контур подачи подогретой питательной воды, пароводяной смеси, насыщенного или перегретого водяного пара (в зависимости от исходных параметров, принятых в установке) в устройство 7 для получения парогазовой смеси. Направление движения газовых сред и воды в указанных агрегатных состояниях на Фиг.1 показано стрелками.
В качестве водоохладителя 14 в данном варианте исполнения турбоустановки может быть применен водо-водяной теплообменник или градирия Геллера.
С целью выделения из неконденсируемых газов, выходящих из конденсатора 10 смешивающего типа, углекислого газа (CO2) в тепловую схему парогазовой турбоустановки смешивающего типа введен абсорбер 16, соединенный по газовому тракту с выходом газового тракта конденсатора 10 и входным патрубком вакуумного компрессора 5, а по тракту движения жидкого химического абсорбента выходным патрубком подсоединенного к входному патрубку теплообменных поверхностей регенеративного теплообменника 17 жидкого химического абсорбента. Выходной патрубок теплообменных поверхностей регенеративного теплообменника 17 подключен к регенератору 18, внутри корпуса которого установлен нагреватель 19 жидкого химического абсорбента. Разогретый жидкий химический абсорбент выводится из регенератора 18 по тракту, который соединен с входным патрубком на корпусе регенеративного теплообменника 17, а выходной патрубок на корпусе регенеративного теплообменника 17 для жидкого химического абсорбента замкнут на охладитель 20 абсорбента. На тракте движения абсорбента между абсорбером 16 и входом в теплообменные поверхности регенеративного теплообменника 17 установлен насос 21, а на тракте циркуляции абсорбента между охладителем 20 абсорбента и абсорбером 16 размещен дроссельный клапан 22. Таким образом, в парогазовой турбоустановке смешивающего типа образуется замкнутый контур циркуляции жидкого химического абсорбента, обеспечивающего удаление из неконденсируемых газов углекислого газа. Направление циркуляции жидкого химического абсорбента по замкнутому контуру на Фиг.1 указано стрелками.
Из разогретого при помощи нагревателя 19 жидкого химического абсорбента в регенераторе 18 выделяется углекислый газ, который был удален в абсорбере 16 из неконденсируемых газов. Углекислый газ выводится из регенератора 18 по газовому тракту, который подключен к входному газовому патрубку охладителя 23 углекислого газа. Охлажденный углекислый газ выходит через выхлопной патрубок охладителя 23 и по газовому тракту, оснащенному запорно-регулирующим 24 и дроссельным клапаном 25, поступает в льдогенератор 26 «сухого» льда. Льдогенератор 26 «сухого» льда оснащен водяной рубашкой 27, в которую периодически подается подогретая вода из бака-накопителя 11 подогретой воды для удаления из льдогенератора 26 товарного «сухого» льда. Подогретая вода поступает в водяную рубашку 27 из бака-накопителя 11 подогретой воды по трубопроводу, на котором установлен запорно-регулирующий вентиль 28 и насос 29. Охлажденная в водяной рубашке 27 льдогенератора 26 подогретая вода по сбросному трубопроводу направляется в напорную магистраль конденсатора 10 смешивающего типа. Товарный «сухой» лед из льдогенератора 26 поступает в хранилище 30, из которого поставляется потребителю (химическую или пищевую промышленность).
При повышенной плюсовой температуре окружающей среды (выше 5°С) для сокращения затрат мощности на привод воздушного компрессора 2 из газовой магистрали охлажденного углекислого газа, вышедшего из охладителя 23 углекислого газа, часть газа отводится и по тракту, с размещенным на нем запорно-регулирующим вентилем 31 и дроссельным клапаном 32, направляется в поверхности охлаждения охладителя 1 атмосферного воздуха, поступающего в воздушный компрессор 2. Выхлопной патрубок поверхностей охлаждения охладителя 1 воздуха газовой магистралью с установленным на ней запорно-регулирующим вентилем 33 замыкается на охладитель 20 абсорбента, из которого углекислый газ сбрасывается в абсорбер 16.
При извлечении товарного «сухого» льда из льдогенератора 26 в льдогенераторе 26 выделяется некоторое количество углекислого газа, которое удаляется из льдогенератора 26 по газовому тракту, оснащенному запорно-регулирующим вентилем 34 и подключенному к выхлопной газовой магистрали охладителя 1 атмосферного воздуха, поступающего в воздушный компрессор 2.
Выхлопной патрубок вакуумного компрессора 5, отсасывающего неконденсируемые газы из абсорбера 16, замкнут на входной газовый патрубок охладителя 35 выхлопа вакуумного компрессора 5, а выхлопной газовый патрубок охладителя 35 подключен к входному газовому патрубку охладителя 36 уходящих газов турбоустановки. Выхлопной газовый патрубок охладителя 36 соединен с дымовой трубой 37, через которую уходящие газы сбрасываются в атмосферу.
По водяной стороне охладитель 23 углекислого газа своим входным патрубком и трубопроводом, отходящим от входного патрубка, замкнут на водяную магистраль, выходящую из водоохладителя 14 охлаждающей воды конденсатора 10 смешивающего типа. Выхлопной водяной патрубок охладителя 23 подключен к входному патрубку теплообменных поверхностей охладителя 35 выхлопа вакуумного компрессора 5 и баку-накопителю 11 подогретой воды. Выхлопной патрубок теплообменных поверхностей охладителя 35 соединен с теплофикационным бойлером 38, из которого потребителям выдается тепловая энергия для целей теплоснабжения и горячего водоснабжения.
Из водяной магистрали, соединяющей теплообменные поверхности охладителя 35 выхлопа вакуумного компрессора 5 с теплофикационным бойлером 38, в зависимости от начальных параметров, заложенных в расчет турбоустановки, может отбираться часть горячей воды, которая по трубопроводу 39, оснащенному необходимой запорно-регулирующей арматурой (на Фиг.1 условно не показана), направляется в устройство 7 для получения парогазовой смеси.
Теплофикационный бойлер 38 по обратной воде замыкается на водяную магистраль, выходящую из конденсатора 10 смешивающего типа. Охладитель 36 уходящих газов по водяной стороне своим входным водяным патрубком сообщается с водяной магистралью, выходящей из водоохладителя 14 охлаждающей воды конденсатора 10 смешивающего типа, а своим выходным водяным патрубком подключен к входному патрубку теплообменных поверхностей охладителя 35 выхлопа вакуумного компрессора 5.
При таком соединении указанных элементов парогазовой турбоустановки смешивающего типа образуются замкнутые контуры дополнительного охлаждения уходящих газов, сбрасываемых в атмосферу, и углекислого газа, удаленного из неконденсируемых газов. Направление движения газовых сред и воды на Фиг.1 показано стрелками.
В баке-накопителе 11 подогретой воды возможно скапливание избытка подогретой воды, которая может быть использована для собственных нужд турбоустановки или сброшена в бак-накопитель 40 питательной воды по водяной магистрали, на которой установлен запорно-регулирующий вентиль 41 и насос 42.
Бак-накопитель 40 питательной воды соединен водяной магистралью с выходным водяным трубопроводом конденсатора 10 смешивающего типа. В бак-накопитель 40 питательная вода, циркулирующей в трубопроводах парогазовой турбоустановки смешивающего типа, сливается при остановке турбоустановки, а также поступает избыточный конденсат, сконденсированный в конденсаторе 10 смешивающего типа из водяных паров газов продуктов сгорания органического топлива. Из бака-накопителя 40 питательная вода по водяной магистрали, на которой смонтирован запорно-регулирующий вентиль 43, подается в момент запуска установки в разводящие водяные магистрали турбоустановки. Избыток конденсата удаляется из бака-накопителя 40 по сбросному водяному трубопроводу, на котором установлен запорно-регулирующий 44.
Необходимо отметить, что все водяные и газовые магистрали парогазовой турбоустановки смешивающего типа оснащены необходимой запорно-регулирующей арматурой, которая на Фиг.1 условно не показана.
На Фиг 2. изображен вариант тепловой схемы парогазовой турбоустановки смешивающего типа, в которой в качестве устройства 7 для получения парогазовой смеси использована противодавленческая силовая паровая турбина 45 и высоконапорный парогенератор 46. Противодавленческая силовая паровая турбина 45 установлена на одном валу 3 с воздушным компрессором 2, силовой парогазовой турбиной 4, вакуумным компрессором 5 и электрическим генератором 6.
Высоконапорный парогенератор 46 входом газового тракта соединен с воздушным компрессором 2, а выходом газового тракта - с силовой парогазовой турбиной 4. Выход пароводяного тракта высоконапорного парогенератора 46 подключен к входу противодавленческой силовой паровой турбины 45, а вход пароводяного тракта - к выходу пароводяного тракта подогревателя 8 питательной воды.
Выхлоп противодавленческой силовой паровой турбины 45 сообщен с выходом газового тракта высоконапорного парогенератора 46.
В рассматриваемых вариантах выполнения парогазовой турбоустановки смешивающего типа использованы воздушный компрессор 2 без промежуточного охлаждения воздуха в процессе сжатия и силовая парогазовая турбина 4, не имеющая промежуточного перегрева парогазовой смеси в процессе расширения. Однако для увеличения единичной мощности и экономичности в турбоустановке может быть применено промежуточное охлаждение воздуха в процессе сжатия для повышения степени повышения давления в компрессорной группе установки и промежуточный перегрев парогазовой смеси в процессе расширения в турбинной части турбоустановки. При таком выполнении предлагаемой парогазовой турбоустановки смешивающего типа наиболее предпочтительно использование многовальной компоновочной схемы.
На Фиг.3 представлено принципиальное конструктивно-компановочное решение охладителя газовых сред, циркулирующих по газовым трактам парогазовой турбоустановки смешивающего типа. Охладитель газовых сред является составной частью оборудования, входящего в состав турбоустановки.
Охладитель газовых сред состоит из корпуса 1' с размещенной на внешней поверхности корпуса 1' водяной рубашкой 2'. Внешняя поверхность корпуса 1' охладителя изолирована от водяной рубашки 2' изоляционным слоем 3', который препятствует теплообмену между газовой средой циркулирующей через корпус 1' и водяной средой, проходящей через водяную рубашку 2'. Внутри корпуса 1' и водяной рубашки 2' размещены тепловые трубы 4' таким образом, что испарительная часть 5' тепловых труб 4' располагается в газовом потоке, проходящем через корпус 1', а конденсационная часть 6' тепловых труб 4' размещается в водяном потоке, который поступает в водяную рубашку 2' через входной водяной патрубок 7'.
Внутренний объем тепловых труб 4' частично заполнен низкокипящей жидкостью, которая располагается в испарительной части 5' тепловых труб 4'. Низкокипящая жидкость под воздействием газового потока имеющего повышенную температуру испаряется и тем самым снижает температуру газового потока. Пары низкокипящей жидкости поступают в конденсационную часть 6' тепловых труб 4'. Для интенсификации процесса конденсации паров низкокипящей жидкости на конденсационной части 6' тепловых труб 4' выполнено оребрение 8'. За счет конденсации паров низкокипящей жидкости в конденсационной части 6' тепловых труб 4' осуществляется подогрев водяной среды поступающей в водяную рубашку 2' охладителя газовых сред. Подогретая вода удаляется из водяной рубашки 2' через выходной водяной патрубок 9'.
Для увеличения глубины охлаждения газовой среды и повышения температуры нагрева водяного потока тепловые трубы 4' могут заполняться низкокипящими жидкостями, которые имеют отличающиеся характеристики изменения агрегатного состояния. В этом случае водяная рубашка 2' охладителя газовых сред разделяется на изолированные секции, а подача водяного потока в соответствующую секцию и отвод подогретой воды из нее осуществляется для каждой секции отдельно.
Предлагаемая парогазовая турбоустановка смешивающего типа функционирует следующим образом (см. Фиг.1 и 2):
Атмосферный воздух, пройдя через воздухозаборное устройство с воздушным фильтром (на Фиг.1 и 2 условно не показано), поступает в охладитель 1 атмосферного воздуха, который является составной частью воздухозаборного устройства, по стрелке «А». Охладитель 1 атмосферного воздуха охлаждает поступающий воздух при повышенной плюсовой температуре окружающей среды (выше 5°С) для снижения затрат мощности на привод воздушного компрессора 2.
Из охладителя 1 атмосферный воздух направляется в воздушный компрессор 2, в котором сжимается до расчетного давления. После воздушного компрессора 2 сжатый воздух поступает в камеру сгорания 7, которая используется в варианте выполнения турбоустановки, изображенной на Фиг.1, или в высоконапорный парогенератор 46 (Фиг.2). В камере сгорания 7 и высоконапорном парогенераторе 46 в атмосфере сжатого воздуха сжигается газообразное или жидкое топливо (на Фиг.1 и 2 стрелкой «Вт» показана подача топлива) с коэффициентом избытка воздуха α=1.01-1.02. При сжигании органического топлива с таким коэффициентом избытка воздуха образуется газы продуктов сгорания топлива с температурой порядка 2200°С. Для получения требуемой температуры парогазовой смеси в камеру сгорания 7 впрыскивается подогретая питательная вода, пароводяная смесь, насыщенный или перегретый водяной пар (в зависимости от начальных параметров заложенных в установки) в количестве определяемом из теплового баланса камеры сгорания 7 и условия получения перед силовой парогазовой турбиной 4 требуемой температуры парогазовой смеси.
В высоконапорном парогенераторе 46 (Фиг.2) газы продуктов сгорания топлива первоначально расхолаживаются до температуры, определяемой балансом генерируемого в высоконапорном парогенераторе 46 для противодавленческой силовой паровой турбины 45. Парогазовая смесь в рассматриваемом варианте выполнения парогазовой турбоустановки смешивающего типа образуется путем ввода отработавшего в противодавленческой силовой паровой турбине 45 пара в газы продуктов сгорания топлива, покидающие высоконапорный парогенератор 46. Количество вводимого пара определяется тепловым балансом из условия получения требуемой температуры парогазовой смеси.
В связи с тем, что в предлагаемой турбоустановке сжигание органического топлива производится с малыми коэффициентами избытка воздуха и расхолаживание газов продуктов сгорания топлива, ведется инертной средой (подогретой питательной водой, пароводяной смесью, насыщенным или перегретым водяным паром), рабочее тело турбоустановки (парогазовая смесь) практически не содержит в своем составе окисных соединений азота. Таким образом, при эксплуатации парогазовой турбоустановки смешивающего типа обеспечивается существенное снижение вредных газообразных выбросов в атмосферу.
Рабочее тело турбоустановки (парогазовая смесь) из камеры сгорания 7 (Фиг.1) поступает в силовую парогазовую турбину 4, где расширяется до давления, которое ниже атмосферного. Силовая парогазовая турбина 4 приводит во воздушный компрессор 2, вакуумный компрессор 5 и электрический генератор 6.
В другом варианте выполнения парогазовой турбоустановки смешивающего типа (Фиг.2) парогазовая смесь, полученная после смешивания отработавшего пара противодавленческой силовой парой турбины 45 с газами продуктов сгорания топлива, вышедшими из высоконапорного парогенератора 46, также поступает в силовую парогазовую турбину 4 и расширяется в до давления, которое ниже атмосферного. Силовая парогазовая турбина 4 и противодавленческая паровая турбина 45 приводят во вращение воздушный компрессор 2, вакуумный компрессор 5 и электрический генератор 6.
Отработавшая в силовой парогазовой турбине 4 парогазовая смесь с давлением, которое ниже атмосферного, направляется в подогреватель 8 питательной воды, в котором в зависимости от начальных параметров, заложенных в турбоустановку, генерируется подогретая питательная вода, пароводяная смесь, насыщенный или перегретый водяной пар. Питательная вода, в одном из указанных агрегатных состояний, в турбоустановке (Фиг.1) направляется в камеру сгорания 7 для получения парогазовой смеси, а в турбоустановке (Фиг.2) - в высоконапорный парогенератор 46 для с параметрами, необходимыми для работы противодавленческой силовой паровой турбины 45.
В подогреватель 8 питательной воды питательная вода подается из бака-накопителя 11 подогретой воды под необходимым давлением при помощи насоса 13. Из подогревателя 8 парогазовая смесь поступает в охладитель 9 парогазовой смеси (принципиальное конструктивно-компоновочное решение охладителя газовых сред показано на Фиг.3). В охладителе 9 осуществляется дополнительное расхолаживание парогазовой смеси перед ее сбросом в конденсатор 10 смешивающего типа. Процесс дополнительного расхолаживания парогазовой смеси обеспечивается за счет использования в составе охладителя 9 тепловых труб и подачи воды в водяную рубашку охладителя 9 парогазовой смеси при помощи насоса 15. Подогретая в водяной рубашке охладителя 9 питательная вода поступает в бак-накопитель 11 подогретой воды. Из бака-накопителя 11 подогретая вода по соответствующим трубопроводам, на которых смонтирована соответствующая запорно-регулирующая арматура, подается в подогреватель 8 питательной воды и периодически направляется под необходимым давлением при помощи насоса 29 в водяную рубашку 27 льдогенератора 26 «сухого» льда для извлечения из льдогенератора 26 «сухого» товарного льда. Охлажденная в водяной рубашке 27 подогретая вода сбрасывается в напорную водяную магистраль конденсатора 10 смешивающего типа.
В конденсаторе 10 смешивающего типа после сброса в него из охладителя 9 дополнительно расхоложенной парогазовой смеси происходит конденсация водяных паров, входящих в состав парогазовой смеси за счет подачи в него охлажденной в водоохладителе 14 питательной воды. Количество водяных паров, конденсирующихся в конденсаторе 10, превышает количество водяных паров, образовавшихся из питательной воды, подаваемой в камеру сгорания 7 (Фиг.1) в одном из указанных ранее агрегатных состояний или количество водяных паров, отработавших в противодавленческой силовой паровой турбине 45 (Фиг.2) и смешиваемых с газами продуктов сгорания топлива. Избыточное количество водяных паров определяется количеством водяных паров, образовавшихся от сжигания топлива. В конденсаторе 10 образуется соответствующее количество избыточного конденсата, который сливается из конденсатора 10 в бак-накопитель 40 питательной воды. Из бака-накопителя 40 по мере необходимости избыток конденсата удаляется из водяного тракта турбоустановки по стрелке «С» и может использоваться для собственных нужд установки или для других целей.
Таким образом, в предлагаемой турбоустановке смешивающего типа ликвидируются невосполнимые потери питательной воды, свойственные известным энергетическим агрегатам,
Из конденсатора 10 смешивающего типа неконденсируемые газы продуктов сгорания топлива отсасываются вакуумным компрессором 5.
До поступления в вакуумный компрессор 5 неконденсируемые газы поступают в абсорбер 16, в котором за счет воздействия на неконденсируемые газы жидкого химического абсорбента осуществляется удаление из неконденсируемых газов углекислого газа (CO2). Циркуляция жидкого химического абсорбента через абсорбер 16 осуществляется по замкнутому контуру, на котором последовательно размещены насос 21, откачивающий абсорбент из абсорбера 16, регенеративный теплообменник 17 абсорбента, регенератор 18 с размещенным внутри его корпуса нагревателем 19 абсорбента, охладитель 20 абсорбента и дроссельный клапан 22. В абсорбере 16 из неконденсируемых газов извлекается до 95-97% углекислого газа, содержавшегося в них.
В регенераторе 18 из разогретого при помощи нагревателя 19 жидкого химического абсорбента выделяется углекислый газ. Разогретый абсорбент из регенератора 18 поступает в регенеративный теплообменник 17 абсорбента, в котором осуществляется предварительный подогрев абсорбента, удаляемого из абсорбера 16 насоса 21. Разогретый абсорбент, отдавший часть своей тепловой энергии в регенеративном теплообменнике 17, направляется из последнего в охладитель 20 абсорбента снижения давления жидкого химического абсорбента перед его входом в абсорбер 16 на тракте циркуляции абсорбента, выходящем из охладителя 20 абсорбента, установлен дроссельный клапан 22. Давление внутри регенератора 18 определяется давлением, которое насос 21 создает в жидком химическом абсорбенте.
Углекислый газ выводится из регенератора 18 и подается в охладитель 23 углекислого газа где, за счет использования в составе охладителя 23 тепловых труб и подачи воды в водяную рубашку охладителя 23, обеспечивается расхолаживание углекислого газа до расчетной температуры и соответственно подогрев питательной воды. Питательная вода подается в водяную рубашку охладителя 23 при помощи насоса 15. Подогретая в водяной рубашке охладителя 23 питательная вода по магистрали, оснащенной соответствующей запорно-регулирующей арматурой, направляется в охладитель 35 выхлопа вакуумного компрессора 5 и бак-накопитель 11 подогретой воды. Охлажденный углекислый газ по газовой магистрали, на которой размещена соответствующая запорно-регулирующая арматура и дроссельный клапан 25, сбрасывается из охладителя 23 в льдогенератор 26 «сухого» льда. Льдогенератор 26 оснащен водяной рубашкой 27, в которую из бака-накопителя 11 подогретой воды периодически подается подогретая питательная вода для удаления из льдогенератора 26 товарного «сухого» льда. Товарный «сухой» лед из льдогенератора 26 поступает в хранилище 30, из которого поставляется потребителю по стрелке «Л». Охлажденная в водяной рубашке 27 льдогенератора 26 питательная вода сбрасывается в напорную водяную магистраль конденсатора 10 смешивающего типа.
При повышенной плюсовой температуре окружающей среды из газовой магистрали охлажденного углекислого газа часть газа отбирается и по газопроводу с установленной на нем соответствующей запорно-регулирующей арматурой и дроссельным клапаном 32, направляется в поверхности охлаждения охладителя 1 атмосферного воздуха. Из охладителя 1 отработавший углекислый газ по сбросному газопроводу, оснащенному соответствующей запорно-регулирующей арматурой, сбрасывается в охладитель 20 абсорбента и затем в абсорбер 16.
При извлечении товарного «сухого» льда из льдогенератора 26 в льдогенераторе 26 выделяется некоторое количество углекислого газа, которое удаляется из него по газопроводу, подключенному к сбросному газопроводу углекислого газа охладителя 1 атмосферного воздуха. Сбросной газопровод льдогенератора 26 оборудован соответствующей запорно-регулирующей арматурой.
В вакуумном компрессоре 5 неконденсируемые газы сжимаются до давления, которое обеспечивает их сброс в окружающую среду. На выхлопе вакуумного компрессора 5 установлен охладитель 35 выхлопа вакуумного компрессора 5, в котором за счет расхолаживания неконденсируемых газов производится нагрев питательной воды до температуры, обеспечивающей ее использование для выработки в теплофикационном бойлере 38 тепловой энергии для нужд потребителей. В зависимости от начальных параметров, заложенных в расчет турбоустановки, часть питательной воды, нагретой в охладителе 35 выхлопа вакуумного компрессора 5, может быть использована для получения парогазовой смеси в камере сгорания 7 (Фиг.1) или высоконапорном парогенераторе 46 (Фиг.2). В указанные элементы турбоустановки нагретая питательная вода подается по трубопроводу 39, который ответвляется от трубопровода нагретой питательной воды, соединяющего по водяной стороне охладитель 35 выхлопа вакуумного компрессора 5 и теплофикационный бойлер 38. Из теплофикационного бойлера 38 обратная питательная вода направляется в сбросную водяную магистраль конденсатора 10 смешивающего типа.
Неконденсируемые газы после прохождения через охладитель 35 выхлопа вакуумного компрессора 5 поступают в охладитель 36 уходящих газов турбоустановки. В охладителе 36 осуществляется дополнительное расхолаживание уходящих газов до расчетной температуры (порядка 43-45°С). Дополнительное расхолаживание уходящих газов обеспечивается за счет использования в составе охладителя 36 тепловых труб и подачи питательной воды при помощи насоса 15 в водяную рубашку охладителя 36 уходящих газов турбоустановки. Подогретая питательная вода из водяной рубашки охладителя 36 уходящих газов подается на входной коллектор теплообменных поверхностей охладителя 35 выхлопа вакуумного компрессора 5. К этому же коллектору теплообменных поверхностей охладителя 35 подключен и трубопровод питательной воды, нагретой в охладителе 23 углекислого газа, который имеет байпас, замыкающийся на бак-накопитель 11 подогретой воды. Уходящие газы после прохождения через охладитель 36 уходящих газов направляются в дымовую трубу 37, через которую сбрасываются в атмосферу.
Предлагаемая парогазовая турбоустановка смешивающего типа имеет повышенную полезную удельную единичную модность и КПД благодаря более полной утилизации тепла в термодинамическом цикле турбоустановки и введению в состав оборудования турбоустановки дополнительных устройств, обеспечивающих удаление из уходящих газов установки углекислого газа (CO2). Так, в турбоустановке (Фиг.1) при максимальной температуре парогазовой смеси, равной 1100°С, достигается КПД порядка 51,3% и полезная удельная единичная мощность установки порядка 1,31 МВт·сек/кг воздуха, поступающего в термодинамический цикл турбоустановки. При максимальной температуре парогазовой смеси, равной 1250°С, в турбоустановке достигается КПД порядка 57,1% и полезная удельная единичная мощность установки порядка 1,46 МВт·сек/кг воздуха.
Промышленная применимость.
Настоящее изобретение может быть использовано для производства электрической и тепловой энергии в тепловой энергетике. Кроме того, парогазовая турбоустановка смешивающего типа может быть применена в качестве силового или приводного двигателя на нефте- и газопроводах, судах морского и речного флота, железнодорожном транспорте, грузовом автотранспорте и других самоходных средствах.
1. Парогазовая турбоустановка смешивающего типа, содержащая воздушный компрессор, установленный на одном валу с силовой парогазовой турбиной, вакуумным компрессором, противодавленческой силовой паровой турбиной (при использовании в составе турбоустановки в качестве устройства для получения парогазовой смеси высоконапорного парогенератора вместо камеры сгорания) и электрическим генератором, подогреватель питательной воды, газовый тракт которого сообщен с выхлопом силовой парогазовой турбины, а пароводяной тракт на выходе из него подключен к устройству для получения парогазовой смеси, конденсатор смешивающего типа, подключенный входом газового тракта к выходу газового тракта подогревателя питательной воды, и водоохладитель, вход водяного тракта которого соединен с выходом водяного тракта конденсатора смешивающего типа, а выход водяного тракта подключен к входу водяного тракта конденсатора смешивающего типа, отличающаяся тем, что турбоустановка дополнительно содержит охладитель выхлопа вакуумного компрессора и охладитель уходящих газов, которые сообщены по газовому тракту так, что охладитель выхлопа вакуумного компрессора входным газовым патрубком подключен к выхлопу вакуумного компрессора, а выхлопным газовым патрубком - к входному газовому патрубку охладителя уходящих газов, газовый тракт которого выхлопным патрубком замыкается на дымовую трубу, при этом водяной тракт охладителя уходящих газов по входу соединен с выходом водяного тракта водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа, а по выходу подключен к входу водяного тракта охладителя выхлопа вакуумного компрессора, выход водяного тракта которого через теплофикационный бойлер соединен с выходом водяного тракта конденсатора смешивающего типа, а охладитель уходящих газов в качестве элемента, передающего тепловой поток от нагретых уходящих газов к питательной воде, содержит тепловые трубы, испарительные части которых размещены в уходящих газах, а конденсационные части - в потоке подогреваемой питательной воды.
2. Парогазовая турбоустановка по п.1, отличающаяся тем, что содержит на тракте неконденсируемых газов между конденсатором смешивающего типа и вакуумным компрессором абсорбер, входной газовый патрубок которого присоединен к выхлопному газовому патрубку конденсатора смешивающего типа, а выходной газовый патрубок замкнут на вакуумный компрессор.
3. Парогазовая турбоустановка по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что содержит замкнутый контур циркуляции жидкого химического абсорбента через абсорбер, на котором последовательно по ходу движения абсорбента после его выхода из абсорбера установлен насос, регенеративный теплообменник абсорбента, регенератор, внутри корпуса которого размещен нагреватель абсорбента, охладитель абсорбента и дроссельный клапан, при этом регенеративный теплообменник абсорбента входным патрубком поверхностей нагрева трубопроводом, на котором установлен насос, сообщается с выходным патрубком абсорбента абсорбера, а выходным патрубком поверхностей нагрева соединяется с входным патрубком регенератора, выходной патрубок которого для разогретого жидкого химического абсорбента замыкается на входной патрубок регенеративного теплообменника, из которого охлажденный абсорбент по трубопроводу поступает на вход в поверхности охлаждения охладителя абсорбента, из которых охлажденный абсорбент направляется в трубопровод с установленным на нем дроссельным клапаном и сбрасывается в абсорбер.
4. Парогазовая турбоустановка по п.3, отличающаяся тем, что содержит охладитель углекислого газа, который входом газового тракта подключен к выходу газового тракта регенератора, а по водяному тракту входом соединен с выходом водяного тракта водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа и выходом водяного тракта - с входом водяного тракта в поверхности нагрева охладителя выхлопа вакуумного компрессора и входом водяного тракта в бак-накопитель подогретой воды, при этом охладитель углекислого газа в качестве элемента, передающего тепловой поток от разогретого углекислого газа к питательной воде, содержит тепловые трубы, испарительные части которых размещены в газовой среде, а конденсационные части - в потоке подогреваемой питательной воды.
5. Парогазовая турбоустановка по п.4, отличающаяся тем, что содержит льдогенератор «сухого» льда с встроенной в его корпус водяной рубашкой, соединенный по газовой стороне с выхлопной магистралью охладителя углекислого газа, на которой установлены соответствующая задорно-регулирующая арматура и дроссельный клапан.
6. Парогазовая турбоустановка по п.5, отличающаяся тем, что содержит охладитель атмосферного воздуха, который функционирует при повышенной плюсовой температуре окружающей среды, подключенный по газовой стороне входом поверхностей охлаждения охладителя атмосферного воздуха к выхлопной магистрали охладителя углекислого газа газопроводом, с установленной на нем соответствующей запорно-регулирующей арматурой и дроссельным клапаном.
7. Парогазовая турбоустановка по п.6, отличающаяся тем, что содержит сбросной газопровод углекислого газа, оснащенный соответствующей запорно-регулирующей арматурой, подключенный входным участком к сбросному патрубку углекислого газа льдогенератора «сухого» льда и выходному коллектору поверхностей охлаждения охладителя атмосферного воздуха и замыкающийся на охладитель жидкого химического абсорбента, из которого углекислый газ сбрасывается в абсорбер.
8. Парогазовая турбоустановка по п.7, отличающаяся тем, что содержит охладитель парогазовой смеси, подключенный по входу газового тракта к выхлопу газового тракта подогревателя питательной воды и по выходу газового тракта - к входу газового тракта конденсатора смешивающего типа, а по водяному тракту соединенному по входу с выходом водяного тракта водоохладителя охлаждающей воды конденсатора смешивающего типа и по выходу водяного тракта - с баком-накопителем подогретой воды, при этом охладитель парогазовой смеси в качестве элемента, передающего тепловой поток от разогретой парогазовой смеси к питательной воде, содержит тепловые трубы, испарительные части которых размещены в парогазовой смеси, а конденсационные части - в потоке подогреваемой питательной воды.
9. Парогазовая турбоустановка по п.8, отличающаяся тем, что содержит бак-накопитель подогретой воды, соединенный трубопроводом с установленной на нем соответствующей запорно-регулирующей арматурой и насосом с водяной рубашкой льдогенератора «сухого» льда, из которой охлажденная подогретая вода сбрасывается по трубопроводу в напорную водяную магистраль конденсатора смешивающего типа, и подключенный трубопроводом подогретой воды, на котором смонтирована соответствующая запорно-регулирующая арматура и насос, к входному коллектору поверхностей нагрева подогревателя питательной воды, а сбросным трубопроводом подогретой воды, располагающим соответствующей запорно-регулирующей арматурой и насосом, соединенного с баком-накопителем питательной воды.
