Газотурбогидравлическая силовая установка замкнутого цикла для водного транспорта

Изобретение относится к области энергетики. Тепловая схема силовой установки водного транспорта содержит компрессоры, камеру сгорания, газовую турбину, подогреватель воды, дымовую трубу, насос высокого давления, охладитель воздуха, гидротурбину, теплосъемник, электрогенератор, силовой электродвигатель, гребной вал, гребной винт, магистраль рециркуляции, магистраль химически очищенной воды, причем насос высокого давления, охладитель воздуха, подогреватель воды, гидротурбина образуют замкнутый цикл. Изобретение позволяет повысить КПД установки и снизить нагрузку на экологию. 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к газотурбогидравлическим установкам замкнутого цикла (ГТГУ) с рабочим телом для гидротурбины нагретая вода.

Известна силовая установка, содержащая парогенератор, паровую турбину, конденсатор, электрогенератор, силовой электродвигатель, гребной вал, гребной винт (турбоэлектроход).

Недостатком известной установки является низкий КПД из-за потери теплоты парообразования в конденсаторе турбины, а также большая нагрузка на экологию.

Известна силовая установка, содержащая дизель, электрогенератор, силовой электродвигатель, гребной вал, гребной винт (дизельэлектроход).

Недостатком является низкий КПД и большая нагрузка на экологию.

Известна силовая установка, содержащая газовую турбину, электрогенератор, силовой электродвигатель, гребной вал, гребной винт (газотурбоэлектроход).

Недостатком является низкий КПД и большая нагрузка на экологию.

Известна регенеративная теплогидротурбинная установка замкнутого цикла, а также осевая, ступенчатая гидротурбина, используемая в качестве привода для станка (инструмента) при бурении нефтяных и газовых скважин, которые следует принять в качестве прототипа.

Задачей изобретения является повышение КПД и снижение нагрузки на экологию.

Указанная выше задача достигается путем организации замкнутого цикла с использованием газовых турбин и осевых ступенчатых гидротурбин.

На фиг.1 представлена схема силовой установки, содержащая компрессоры 1, 2, камеру сгорания 3, газовую турбину 4, подогреватель цикловой воды 5, дымовую трубу 6, насос высокого давления 7, охладитель воздуха 8, гидротурбину 9, теплосъемник 10, электрогенератор 11, силовой электродвигатель 12, гребной вал 13, гребной винт 14, магистраль рециркуляции 15, магистраль воды от ХВО 16, причем насос высокого давления 7, охладитель воздуха 8, подогреватель воды 5, гидротурбина 9, образуют замкнутый цикл.

Несколько компрессоров с промежуточным охлаждением воздуха (охлаждение осуществляется охлажденной водой после гидротурбины, подаваемой насосом высокого давления) обеспечивает высокое давление воздуха в камере сгорания, в проточной части газовой турбины, а также повышенное давление в подогревателе воды, делая всю установку компактной, снижая ее металлоемкость, причем расположение узлов установки («лежит на дне») улучшает устойчивость судна, так как метацентр приближается к килевой линии, а высокий КПД установки увеличивает автономность плавания.

Изготовление газовых турбин для данных установок не требует дорогих материалов, так как рабочее тело (газ) по температуре перед турбиной носит умеренный характер, причем упрощается сама конструкция газовых турбин, то же самое относится и к гидротурбине.

Замкнутый цикл установки не требует большого расхода хим. очищенной воды и электроэнергии на собственные нужды.

Во избежание гидроударов в проточной части гидротурбины вход и выход воды снабжены сифонами - турбина всегда должна быть с водой, причем выходная скорость воды турбины используется, снижая потребляемую мощность насоса высокого давления.

С целью исключить возможное размораживание, в необходимых случаях вода сливается или в схему заливается антифриз.

Управление рабочим процессом осуществляется ключом мощности при сблокированных регуляторах подачи топлива, расхода воды перед гидротурбиной и на магистрали рециркуляции.

Работа указанной ГТГУ кардинальным образом снижает нагрузку на экологию.

Высокий КПД установки определяется тремя факторами - замкнутый цикл, нагрев воды выхлопными газами турбины, что снижает температуру газа на выходе из установки, и увеличение теплового перепада в проточной части гидротурбины, т.е. мощности за счет нагретой воды выхлопом газовой турбины.

Расчет эффективности работы установки

Расчет эффективности ГТГУ - 32,8 МВт

За базу принимаем ГТУ - 10,0 МВт с параметрами:

N=10,0 МВт; расход условного топлива 466 г. на кВт/час; КПД - 26%

Температура газа перед турбиной 780°С; температура уходящих газов 330°С.

Количество расходуемого топлива в МВт

10000 кВт*466 г=4660 кг*7000 ккал/кг (у.т.)=32620000 ккал/860=37,9 МВт

На работу насоса израсходовано

Параметры:

расход воды (G кг/сек) - 125 т/час; давление воды P₁ - 2,0 бар, Р₂ - 200,0 бар;

теплоемкость воды (С) - 4,2 кДж (кгК); КПД (Кп) 90%; коэффициент мощности (К)-1,45.

G кг/сек (P₂-P₁)/C/Кп/К

125/3,6(200-2)/4,2/0,9/1,45=34,7*198/4,2/0,9/1,45=1,25 МВт.

Теплота выхлопа составила при Кп подогревателя 90%

37,9-1,25=36,65 МВт*0,9=32,9 МВт

Мощность установки при Кп 90%

G кг/сек(Т₂-Т₁)*С*Кп=125/3,6(573-323)=34,7*250*4,2*0,9=32,8 МВт

КПД установки 32,8/37,9=86,5%

Расход топлива на кВт/час 4660000 г/32800 кВт=142,2 г

Источники информации

1. Шляхин П.Н. Паровые и газовые турбины, Москва, «Энергия», 1974.

2. Патент RU 2249115 С2, F01, K13/00, 2005.

3. Шумилов П.П. Турбинное бурение нефтяных скважин, Москва, «Недра», 1968.

Газотурбогидравлическая силовая установка замкнутого цикла для водного транспорта, содержащая компрессоры, камеру сгорания, газовую турбину, подогреватель воды, дымовую трубу, насос высокого давления, охладитель воздуха, гидротурбину, электрогенератор, силовой электродвигатель, гребной вал, гребной винт, отличающаяся тем, что насос высокого давления, охладитель воздуха, подогреватель воды, гидротурбина образуют замкнутый цикл.