Способ работы газотурбинной установки

Авторы патента:

F02C6/00 - Многоагрегатные газотурбинные установки, комбинации газотурбинных установок с другими устройствами (аспекты, в основном касающиеся таких устройств, см. соответствующие классы для этих устройств); приспосабливание турбинных установок для специальных целей

F01K25/10 - холодных парах, например аммиака, углекислого газа, эфира

Владельцы патента RU 2610801:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) (RU)

Изобретение относится к области энергетики. Способ работы газотурбинной установки, включающей дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом. Рабочее тело-воздух первого контура после входного устройства охлаждают в первом теплообменном аппарате, далее после сжатия в компрессоре низкого давления и последующего охлаждения рабочего тела во втором теплообменном аппарате, рабочее тело расширяют до отрицательной температуры в турбодетандере и охлаждают в расположенном за ним третьем теплообменном аппарате, после сжатия в компрессоре высокого давления, горения в камере сгорания, расширения в турбинах высокого, низкого давлений, в силовой турбине и вращения привода потребителя отработавшие газы основного контура направляют в теплообменный аппарат дополнительного контура, куда одновременно подают низкокипящее рабочее тело, подогревают его отработавшими газами основного контура для срабатывания теплоперепада в турбине дополнительного контура, после чего низкокипящее рабочее тело из-за турбины подают в вышеупомянутый третий теплообменный аппарат перед компрессором высокого давления основного контура и далее в циркуляционный насос, где низкокипящее рабочее тело сжимается, и в жидком состоянии его подают для охлаждения рабочего тела-воздуха в теплообменные аппараты основного контура. Позволяет повысить КПД установки и увеличить полезную работу цикла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области энергетики и, в частности, к способам повышения эффективности работы газотурбинных установок.

Известен способ работы газотурбинной установки (ГТУ), в которой воздух из атмосферы поступает в компрессор, где сжимается. Поток сжатого воздуха подается в камеру сгорания, где подводится топливо и воспламеняется горючая смесь. Затем отработавшие газы с высоким давлением подаются в проточную часть газовой турбины. В газовой турбине газ расширяется практически до атмосферного давления (Рн) и поступает в выходной диффузор.

Показатели стационарных ГТУ простого цикла (мощность 300 МВт, эффективный коэффициент полезного действия составляет (КПД) 40%)) достигнуты за счет выбора высокой начальной температуры газа (до 1400…1500 К) и степени повышения давления, соответствующей наибольшей удельной работе цикла.

Недостатками данной схемы является то, что возможность дальнейшего роста начальной температуры газа как главного фактора повышения эффективности ГТУ невозможна за счет ограничения жаростойкости и жаропрочности материалов установки.

Известны следующие направления повышения эффективности ГТУ: усложнение рабочего цикла двигателя за счет введения в тепловую схему промежуточного охлаждения (ПО) воздуха между каскадами компрессоров, промежуточного подогрева (ПП) газа между турбинами по отдельности или ПО и ПП вместе, а также нетрадиционного способа - применение турбины перерасширения (обращенный газогенератор) и использование низкопотенциальной энергии промышленных предприятий (Матвеенко В.Т. Перспективы повышения эффективности высокотемпературного газотурбинного двигателя усложнением цикла Брайтона / В.Т. Матвеенко // Вестник СевГТУ; Вып. 97. - Севастополь, 2009. - С. 113).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату и принятым за прототип является способ работы ГТУ, которая включает входное устройство, куда поступает воздух из атмосферы, компрессор низкого давления, где происходит процесс сжатия воздуха. Далее воздух поступает в теплообменный аппарат, понижая температуру рабочего тела, затем подается в компрессор высокого давления для повышения давления. Поток сжатого охлажденного воздуха поступает в камеру сгорания, где происходит процесс горения. Затем отработавшие газы с высоким давлением подаются в проточную часть газовой турбины высокого давления. В газовой турбине рабочие газы расширяются и снова подаются в камеру сгорания для сжигания остатков горючей смеси после первичного процесса горения. Рабочее тело снова поступает в турбину низкого давления для срабатывания теплоперепада и подается в силовую турбину, вращая электрогенератор (Матвеенко В.Т. Перспективы повышения эффективности высокотемпературного газотурбинного двигателя усложнением цикла Брайтона / В.Т. Матвеенко // Вестник СевГТУ: Вып. 97. - Севастополь, 2009. - С. 114-115).

Газотурбинные установки с промежуточным охлаждением воздуха и промежуточным подогревом газа обладают рядом преимуществ:

- уменьшением капиталовложений в расчете на 1 кВт/ч установленной мощности по отношению к аналогичным показателям ТЭС и ПТУ;

- меньшим (в 2-8 раза) выбросам в атмосферу оксидов азота;

- максимальным использованием кинетической энергии газов в процессе вторичного горения.

К недостаткам рассматриваемой схемы ГТУ следует отнести:

- отсутствие регенерации выходящих газов;

- затраты на подготовку рабочего тела для охлаждения и выбросов;

- увеличение расхода топлива в ходе подвода тепла во вторичной камере сгорания;

- недостаточно высокий КПД по сравнению с ГТУ и контуром низкокипящей жидкости.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении КПД установки и увеличении полезной работы цикла.

Технический результат достигается тем, что в способе работы газотурбинной установки, включающем забор рабочего тела-воздуха из атмосферы во входное устройство, сжатие в компрессоре низкого давления, охлаждение рабочего тела-воздуха в теплообменном аппарате, сжатие в компрессоре высокого давления, подвод тепла в камеру сгорания, расширение в турбине и вращение привода потребителя, новым является то, что введен дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом. Рабочее тело-воздух первого контура после входного устройства охлаждают в первом теплообменном аппарате, далее после сжатия в компрессоре низкого давления и последующего охлаждения рабочего тела во втором теплообменном аппарате рабочее тело расширяют до отрицательной температуры в турбодетандере и охлаждают в расположенном за ним третьем теплообменном аппарате, после сжатия в компрессоре высокого давления, горения в камере сгорания, расширения в турбинах высокого, низкого давлений, в силовой турбине, отработавшие газы основного контура направляют в теплообменный аппарат дополнительного контура, куда одновременно подают низкокипящее рабочее тело, подогревают его для срабатывания теплоперепада в турбине дополнительного контура, после чего низкокипящее рабочее тело из-за турбины подают в вышеупомянутый третий теплообменный аппарат перед компрессором высокого давления основного контура и далее в циркуляционный насос, где низкокипящее рабочее тело сжимается и в жидком состоянии его подают для охлаждения рабочего тела-воздуха в теплообменных аппаратах основного контура.

В качестве низкокипящего рабочего тела используют пропан.

Низкокипящее рабочее тело подогревают в теплообменном аппарате дополнительного контура до температуры, не превышающей температуру самовоспламенения.

На чертеже представлена схема газотурбинной установки.

Основной контур конструктивно представляет собой тепловой насос, который состоит из входного устройства 1, двух теплообменных аппаратов 2, 4, компрессора 3 и турбодетандера 5. Далее по тракту расположены теплообменный аппарат 6 и газогенератор. Газогенератор состоит из компрессора высокого давления 7, камеры сгорания 8, турбины высокого давления 9, турбины низкого давления 10, силовой (свободной) турбины 11, выходного устройства 12 и электрогенератора 13. Газогенератор представляет собой типичный одновальный газотурбинный двигатель наземного применения.

Дополнительный контур состоит из входного устройства 14, магистрали трубопроводов рабочего тела (пропан C₃H₈), теплообменного аппарата 15, пропановой турбины 16, электрогенератора 17 и циркуляционного насоса 18.

Принцип работы установки заключается в следующем.

Воздух из атмосферы через воздухозаборник 1 поступает в теплообменный аппарат 2, охлаждаясь в нем, затем поступает в компрессор 3. Воздух в компрессоре сжимается, и с повышенным давлением подается в теплообменный аппарат 4, снова охлаждаясь в нем. В турбодетандере 5 рабочее тело расширяется до отрицательной температуры и поступает в теплообменный аппарат 6 для поддержания заданной температуры рабочего тела перед компрессором высокого давления 7 газогенератора. В компрессоре 7 воздух сжимается и подается в камеру сгорания 8. В камере сгорания происходит процесс подвода тепла, далее газ поступает на турбину высокого давления 9 и турбину низкого давления 10, силовую турбину 11, расширяясь в них, приводит во вращение компрессоры 7, 3 и электрогенератор 13. Далее из выходного устройства 12 отработавшие газы поступают в теплообменный аппарат 15 для подогрева низкокипящего тела дополнительного контура. Далее в теплообменнике 15 низкокипящее тело подогревается за счет выхлопных газов основного контура до положительной температуры, не превышающей температуру самовоспламенения, и поступает на пропановую турбину 16, где расширяется до границы перехода в жидкое состояние, при этом вырабатывая значительную мощность и вращая электрогенератор 17 (Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Изд. Второе. М., 1972. С. 235). Затем газ из пропановой турбины 16 поступает в теплообменник 6 основного контура, охлаждаясь в нем, подается в циркуляционный насос 18, где газ сжимается и переходит в жидкое состояние (то же, с. 236). Далее по тракту сжиженный газ поступает в теплообменники 4 и 2 основного контура для отвода тепла в основном контуре установки и снижения работы компрессора, тем самым повышая работу цикла. Газ в дополнительный контур подается через входное устройство 14. Далее цикл повторяется.

Процесс настроен таким образом, что в пропановой турбине не происходит конденсации (перехода в жидкое состояние) низкокипящего рабочего тела в ходе срабатывания теплоперепада. В дополнительном контуре в роли рабочего тела используется пропан C₃H₈ или другое низкокипящее вещество, имеющее достаточно высокое давление насыщенных паров при низких температурах. Пропан используется, как газ, для получения полезной работы и, как жидкость, для ступенчатого отвода тепла в ГТУ.

Преимущества данной схемы:

- достигается высокий КПД установки за счет введения дополнительного контура с низкокипящим рабочим телом;

- значительно увеличивается мощность путем охлаждения воздуха в теплообменных аппаратах и снижения работы сжатия в компрессорах;

- низкокипящее рабочее тело используют в качестве охладителя и газа в ходе его химического преобразования по тракту установки;

- низкий расход топлива за счет входа холодного воздуха в компрессор газогенератора;

- увеличиваются эксплуатационный ресурс работы и жизненный цикл установки;

- возможность эксплуатации в южных районах без понижения номинальной мощности.

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий забор рабочего тела-воздуха из атмосферы во входное устройство, сжатие в компрессоре низкого давления, охлаждение рабочего тела-воздуха в теплообменном аппарате, сжатие в компрессоре высокого давления, подвод тепла в камеру сгорания, расширение в турбине и вращение привода потребителя, отличающийся тем, что введен дополнительный контур с низкокипящим рабочим телом, включающий входное устройство, сообщенное с источником низкокипящего рабочего тела, теплообменный аппарат, турбину, сообщенную с дополнительным приводом, рабочее тело-воздух первого контура после входного устройства охлаждают в первом теплообменном аппарате, далее после сжатия в компрессоре низкого давления и последующего охлаждения рабочего тела во втором теплообменном аппарате, рабочее тело расширяют до отрицательной температуры в турбодетандере и охлаждают в расположенном за ним третьем теплообменном аппарате, после сжатия в компрессоре высокого давления, горения в камере сгорания, расширения в турбинах высокого, низкого давлений, в силовой турбине отработавшие газы основного контура направляют в теплообменный аппарат дополнительного контура, куда одновременно подают низкокипящее рабочее тело, подогревают его для срабатывания теплоперепада в турбине дополнительного контура, после чего низкокипящее рабочее тело из-за турбины подают в вышеупомянутый третий теплообменный аппарат перед компрессором высокого давления основного контура и далее в циркуляционный насос, где низкокипящее рабочее тело сжимается, и в жидком состоянии его подают для охлаждения рабочего тела-воздуха в теплообменных аппаратах основного контура.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низкокипящего рабочего тела используют пропан.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что низкокипящее рабочее тело подогревают в теплообменном аппарате дополнительного контура до температуры, не превышающей температуру самовоспламенения.

Предложено устройство (200) для сжатия газа для применения с потоком (230) газа. Устройство (200) для сжатия газа может включать ряд компрессоров, один или несколько эжекторов (270), конденсатор (350), расположенный по потоку после одного или нескольких эжекторов (270), и источник (205) отходящего тепла.

Энергетическая система по утилизации теплоты отработанных газов газоперекачивающей станции // 2564195

Изобретение относится к энергетическим системам, в которых применяются органические циклы Ренкина для производства электрической энергии при сжигании различных видов топлива.

Газовая турбина с уменьшенными выбросами при частичной нагрузке // 2562681

Способ эксплуатации газовой турбины с последовательным сгоранием и низкими выбросами СО заключается в том, что нагретые газы от первой камеры сгорания попадают на первую турбину, а нагретые газы второй камеры сгорания, подключаемой к первой турбине, попадают на вторую турбину.

Способ работы и устройство газотурбинной установки // 2561755

Группа изобретений относится к энергетике Способ работы газотурбинной установки предусматривает подачу в камеру сгорания сжатого воздуха и паро-метановодородной смеси, расширение продуктов ее сгорания в газовой турбине, охлаждение путем испарения или перегрева водяного пара, направляемого в газотурбинную установку, где поступающий природный газ смешивают с водяным паром высокого давления с получением метансодержащей парогазовой смеси, которую нагревают потоком указанных продуктов сгорания в теплообменнике, пропускают через каталитический реактор реформирования метана с образованием на выходе паро-метановодородной смеси, подаваемой в камеру сгорания газотурбинной установки, повышают температуру теплообменных процессов газотурбинной установки путем дополнительного сжигания топлива в потоке продуктов сгорания паро-метановодородной смеси, отбираемом на выходе из дополнительной свободной силовой газовой турбины, а перед подачей в камеру сгорания паро-метановодородной смеси ее предварительно охлаждают до температуры, не превышающей температурный диапазон 200+240°С, с одновременной частичной конденсацией водяного пара, конденсат отделяют, испаряют и расходуют при подготовке метансодержащей парогазовой смеси и водяного пара низкого давления, который пропускают через дополнительную свободную силовую газовую турбину.

Способ работы газопаровой установки // 2561354

Изобретение относится к энергетике. Способ включает в себя сжатие газообразного рабочего тела - воздуха, подогрев сжатого рабочего тела путем сжигания топлива, расширение подогретого рабочего тела, утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара, подвод полученного пара в газовый тракт, конденсацию пара и извлечение воды из продуктов сгорания.

Способ работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения // 2557823

Изобретение относится к энергетике. В способе работы комбинированной газотурбинной установки системы газораспределения при выработке электрической энергии с помощью теплового двигателя в качестве рабочего тела используют низкокипящее рабочее тело с замкнутым контуром циркуляции, работающего по органическому циклу Ренкина, утилизацию теплоты выхлопных газов газотурбинного двигателя осуществляют путем нагрева в теплообменнике-утилизаторе низкокипящего рабочего тела, причем низкокипящее рабочее тело замкнутого контура циркуляции сжимают в конденсатном насосе, расширяют в турбодетандере, конденсируют в низкотемпературном теплообменнике-конденсаторе, при выработке электрической энергии в энергоутилизационном турбодетандере используют турбодетандер с сепарирующей установкой для выработки низкотемпературного природного газа, который направляют в низкотемпературный теплообменник-конденсатор для охлаждения низкокипящего рабочего тела теплового двигателя, и конденсата в виде сжиженной фракции тяжелых углеводородов, который направляют в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем в процессе конденсации низкокипящего рабочего тела выделяемая скрытая теплота нагревает низкотемпературный природный газ.

Способ серийного производства газотурбинного двигателя и газотурбинный двигатель, выполненный этим способом // 2551915

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, а именно к авиационным газотурбинным двигателям. В способе серийного производства ГТД изготавливают детали и комплектуют сборочные единицы, элементы и узлы модулей и систем двигателя.

Горелка промежуточного подогрева и способ смешивания топлива/потока воздуха-носителя в горелке промежуточного подогрева // 2551716

Изобретение относится к горелке промежуточного подогрева, содержащей проточный канал для потока горячего газа с трубкой, расположенной вдоль указанного проточного канала, выступающей в проточный канал для впрыскивания топлива на плоскость впрыска, перпендикулярную продольной оси канала, причем канал и трубка образуют область образования завихрений выше по потоку от плоскости впрыска и область смешивания ниже по потоку от плоскости впрыска в направлении потока горячего газа.

Форсунка смесительной головки парогазогенератора // 2548703

Изобретение относится к энергетике. Форсунка смесительной головки парогазогенератора содержит как минимум полый наконечник, соединяющий полость окислителя с зоной горения, втулку, охватывающую с кольцевым зазором наконечник и соединяющую полость горючего с зоной горения, характеризующаяся тем, что на наружной поверхности наконечника форсунки выполнены ребра, взаимодействующие своей наружной частью с внутренней поверхностью втулки, при этом наружная выходная часть втулки выполнена ступенчатой, с увеличением диаметра ее наружной поверхности, причем в ступенчатом расширении втулки выполнены каналы, соединяющие полость балластирующего компонента, преимущественно воды, с зоной горения.

Смесительная головка парогазогенератора // 2548245

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергетических установках для выработки парогазовых смесей. Задачей изобретения является повышение однородности температурного поля парогазовой смеси на выходе за счет интенсификации процесса испарения балластирующего компонента.

Рекуперационная установка // 2583478

Изобретение относится к энергетике. Рекуперационная установка для источника отходящего тепла состоит из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором и имеющей систему магнитных опор с относящимся к ней регулирующим устройством и электропитанием через промежуточное звено постоянного тока, входящее в состав преобразователя частоты генератора.

Теплоутилизационная система (варианты) и способ продувки остаточных выхлопных газов из теплоутилизационной системы // 2578549

Изобретение относится к энергетике. Теплоутилизационная система содержит клапанную систему, выполненную с возможностью переключения между положением рекуперации сбросного тепла, при котором обеспечивается направление входящего выхлопного газа через внутреннее пространство выхлопной секции двигателя, и байпасным положением, при котором обеспечивается направление указанного входящего газа по перепускному контуру для обхода котла-утилизатора, расположенного в указанном внутреннем пространстве.

Способ и устройство для эксплуатации парового цикла со смазываемым детандером // 2571698

Изобретение относится к способу эксплуатации парового цикла, осуществляемому в предложенном устройстве, содержащем испаритель или парогенератор для испарения жидкого рабочего тела (А) и смазываемый смазочным средством детандер для совершения механической работы.

Способ утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины тепловой электрической станции // 2560622

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации низкопотенциальной теплоты системы маслоснабжения подшипников паровой турбины для дополнительной выработки электрической энергии.

Способ работы тепловой электрической станции // 2560615

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды и утилизации высокопотенциальной теплоты пара производственного отбора для дополнительной выработки электрической энергии.

Способ работы тепловой электрической станции // 2560611

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано на тепловых электрических станциях (ТЭС) при утилизации избыточной низкопотенциальной теплоты обратной сетевой воды для дополнительной выработки электрической энергии.

Устройство прямого испарения и система рекуперации энергии // 2539699

Изобретение относится к энергетике. Устройство прямого испарения для использования в системе рекуперации энергии в органическом цикле Ренкина содержит корпус, имеющий входное отверстие для газообразного источника тепла и выходное отверстие для газообразного источника тепла и ограничивающий проточный проход для газообразного источника тепла от входного отверстия к выходному отверстию; и теплообменную трубку, расположенную в проточном проходе для газообразного источника тепла, выполненную с возможностью вмещения рабочей текучей среды в органическом цикле Ренкина и имеющую входное отверстие для - рабочей текучей среды и выходное отверстие для рабочей текучей среды.

Тепловая машина // 2499897

Тепловая машина предназначена для преобразования энергии тепловых отходов на тепловых электростанциях в механическую энергию с целью вторичной выработки электроэнергии.

Энергетическая система для одновременного производства электрической энергии, холода и получения пресной воды из окружающей среды // 2465468

Изобретение относится к многофункциональным энергетическим установкам, в которых в качестве рабочего вещества используют сжатый газ или жидкость под высоким давлением.

Способ и система для производства энергии из теплового источника // 2434145

Изобретение относится к способу и системе для производства энергии из геотермального теплового источника. .

Тепловой двигатель // 2617215

Изобретение относится к машиностроению, а именно к тепловым двигателям, использующим разницу температур и преобразующим тепловую энергию в механическую или электрическую. Тепловой двигатель содержит множество шлюзов и кольцевую теплообменную трубу, проходящую сквозь эти шлюзы. При этом шлюзы заполнены воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре, от самой высокой, которая на заданную величину меньше температуры окружающей среды, в шлюзе, являющемся на данный момент первым, до самой низкой, которая на заданную величину меньше температуры в первом шлюзе, в шлюзе являющемся на данный момент последним. Причем каждый шлюз циклически проходит все стадии нагрева воздуха от самой низкой температуры до самой высокой температуры за счет теплообмена с кольцевой трубой. Кольцевая теплообменная труба соединена множеством труб, количество которых равно количеству шлюзов, с первой газовой турбиной, которая соединена через фильтр с атмосферой. Выпускное отверстие каждого шлюза соединено со второй газовой турбиной. При циклической работе двигателя воздух, проходя через первую турбину и кольцевую теплообменную трубу, заполняет шлюз, охлаждаясь до минимальной температуры, затем нагревается за счет теплообмена с кольцевой теплообменной трубой до максимальной температуры и выпускается под давлением во вторую турбину. Техническим результатом, достигаемым предложенным изобретением, является повышение эффективности работы теплового двигателя и расширение его функциональных возможностей, заключающееся в дополнительном производстве холода в промышленных масштабах. 5 ил.