СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПИКОВОЙ МОЩНОСТИ НА ПАРОГАЗОВОЙ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКЕ И ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1997 года по МПК F01K21/04 F02C7/00 

Изобретение относится к области газотурбинных установок (ГТУ) для вырабатывания электрической и тепловой энергии и может быть использовано, в частности, в парогазовых энергетических установках.

В качестве прототипа выбрана парогазовая ГТУ (авт.св. N 1.562.481 МКИ F 01 K 21/04, F 02 C 7/00, публ. 1990), которая содержит последовательно установленные в газовом тракте компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, дополнительную камеру сгорания и силовую турбину, в выхлопном устройстве которой размещен парогенератор, выход которого соединен пароводяным трактом с газовым трактом после газовой турбины, а вход с насосом подачи воды и где реализован способ получения пиковой мощности, включающий сжатие воздуха в компрессоре, сжигание части топлива в камере сгорания, расширение полученных при сжигании топлива газов в турбине для привода компрессора, сжигание второй части топлива в дополнительной камере сгорания и расширение полученных газов в силовой турбине, причем газы, направляемые в силовую турбину, смешиваются с перегретым паром, используя для его получения выхлопные газы силовой турбины.

Недостатком прототипа являются высокие гидравлические потери, обусловленные процессом смешения пара с высокотемпературным газом, при его подаче в газовый тракт за дополнительной камерой сгорания.

Целью изобретения является повышение эффективности рабочего процесса (получение пиковой мощности) парогазовой ГТУ путем использования кинетической энергии пара при присоединении его массы к газу смеси и наиболее полному использованию тепловой энергии, полученной вследствие химической реакции топлива при двухкратном подводе тепла в воздушно-газовом цикле.

Поставленная цель достигается следующим способом пар дополнительно перегревают газами, полученными при сжигании второй части топлива, после чего увеличивают скорость движения пара, а его смешение с газами осуществляют, эжектируя газы паром перед подачей парогазовой смеси на силовую турбину.

При этом устройство парогазовой ГТУ для реализации способа отличается тем, что она снабжена дополнительным перегревателем, парогазовым эжектором и рубашкой охлаждения дополнительной камеры сгорания, причем дополнительная камера сгорания выполнена с кольцевой жаровой трубой, а дополнительный пароперегреватель выполнен в виде тела вращения с сужающей выходной частью, образующей активное сопло эжектора, и установлен в дополнительной камере сгорания соосно с ней, а рубашка охлаждения дополнительной камеры сгорания установлена в пароводяном тракте между парогенератором и дополнительным пароперегревателем.

Устройство парогазовой ГТУ с присоединенной массой водяного пара поясняется конструктивной схемой, представленной на фиг.1.

Парогазовая ГТУ содержит последовательно установленные в газовом тракте входное устройство 1, компрессор 2, газовую турбину 3, смонтированную на валу 4 с компрессором 2, камеры сгорания 5 с топливными форсунками 6, рубашку охлаждения 7 газовой турбины 3, дополнительную камеру сгорания 8, пароперегреватель 9, установленный соосно внутри кольцевой жаровой трубы 10 дополнительной камеры сгорания 8, оснащенной топливными форсунками 11, рубашку охлаждения 12 дополнительной камеры сгорания 8, сужающий выход последней совместно с коническим соплом 13 дополнительного пароперегревателя 9 образует парогазовый эжектор 14, силовую турбину 15, подсоединенную к потребителю посредством проходящего через канал 16 вала 17, пароперегреватель 18, выполненный в виде газо-жидкостного теплообменника, и выходное устройство 19. Парогазовая ГТУ оснащена системой автоматического регулирования (САР) 20 подачи топлива к форсункам 6 и 11 основной и дополнительной камер сгорания 5 и 8 и регулятором 21 подачи воды.

Устройство работает следующим образом.

Воздух через входное устройство 1 направляется на вход компрессора 2, где он сжимается и поступает в основную камеру сгорания 5. Смешивается с топливом, поступающим от САР 20 через форсунку 6, и сгорает. Продукты сгорания (газы) при расширении на ступенях турбины 3 приводят ее во вращение вместе с компрессором 2 посредством вала 4. Дальше газы поступают в дополнительную камеру сгорания 8, где внутри кольцевой жаровой трубы 10 смешиваются с топливом, поступающим от САР 20 через форсунки 11. При сжигании часть тепла передается водяному пару через стенку перегревателя пара 9. Газы сжимаются в парогазовом эжекторе 14 за счет эжекции перегретого пара через активное сопло 13. Происходит повышение их давления и снижение температуры. Образовавшаяся парогазовая смесь расширяется на ступенях силовой турбины 15, приводя во вращение потребитель мощности посредством вала 17. Далее смесь поступает в теплообменник 18, где происходит передача тепла воде и ее разделение за счет конденсации.

Способ получения пиковой мощности парогазовой ГТУ поясняется с помощью фиг. 2-3. На фиг.2 и 3 представлен комбинированный цикл работы устройства в P-V и Т-S координатах. В компрессоре 2 идет процесс сжатия с повышением давления и температуры. Изоэнтропический (адиабатический) процесс сжатия в компрессоре 2 показан линиями 1-2. В камере сгорания 5 идет процесс подвода тепла при постоянном давлении за счет сгорания топливо-воздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха больше единицы. Температура газа повышается. Процесс подвода тепла при постоянном давлении показан линиями 2-3. Изоэнтропический (адиабатический) процесс расширения газа на турбине 3 показан линиями 3-4''. В дополнительной камере сгорания 8 происходит сгорание смеси с суммарным коэффициентом избытка воздуха, близким к стехиометрическому. Процесс подвода тепла при постоянном давлении показан линиями 4''-4. За дополнительной камерой сгорания 8 образован газовый эжектор 14, в котором давление газа повышается за счет кинетической энергии пара, а температура газа при смешении с относительно холодным паром понижается. Процесс повышения давления газа в эжекторе 14 с одновременным понижением температуры при смешении пара с газом изображен линиями 4'-4. Температура парогазовой смеси перед силовой турбиной 15 задается с учетом ее прочностных характеристик. Из эжектора 14 парогазовая смесь с высокой температурой поступает на силовую турбину 15, которая передает создаваемую мощность на вал к потребителю. Изоэнтропический процесс расширения на силовой турбине показан линиями 4-5. После силовой турбины парогазовая смесь поступает в газо-жидкостной теплообменник 18, где отдает тепло воде, подающейся в теплообменник 18 водяным насосом- регулятором 21. Процесс охлаждения парогазовой смеси в теплообменнике 18 при постоянном давлении изображен линиями 5-5' и 5-5''. При охлаждении парогазовой смеси в теплообменнике 18 водяной пар частично или полностью конденсируется и затем охлажденная смесь газа с конденсатом (водой) поступает в выхлопную трубу 19. Процесс отвода тепла при постоянном давлении от парогазовой смеси и воды в выхлопной трубе и баке системы очистки и охлаждения изображен линиями 5'-1 и 5''-1*. Вода из расходного бака с помощью насоса регулятора 21 под большим давлением подается в газо-жидкостной теплообменник 18, где вода нагревается. Далее поступает в рубашки охлаждения 7 и 12, где частично или полностью испаряется. Затем в перегревателе пара 9 температура увеличивается. Процесс повышения давления жидкости при постоянном объеме в насосе-регуляторе 21 показан линиями 1*-2*. Процесс подвода тепла к воде при постоянном давлении показан линиями 2*-3'. Рабочий процесс в эжекторе 14 по водяному пару с уменьшением давления (активный поток) и повышением температуры при смешении относительно холодного пара с горячим газом показан линиями 3'-4, а изоэнтропический (адиабатический) процесс расширения пара (и газа) на силовой турбине показан линиями 4-5.

Здесь:
qiв количество тепла, передаваемое от газа водяному пару при смешении в эжекторе (процесс показан линиями 3'-4);
q'iв количество тепла, передаваемое от газа в теплообменнике воде и водяному пару (процесс показан линиями 3-3 и 3-3');
q''iв количество тепла, передаваемое от водяного пара (после его работы на силовой турбине) воде и водяному пару в теплообменнике (показан линиями 5-5 и 5-5'').

Суммарная теоретическая работа Lt бинарного цикла состоит из работы воздушно-газового цикла Ltг и парового цикла Ltп:
Lt Ltг+m•Ltп,
где m Gн2o/Gв относительный расход воды (пара).

Термический КПД определяется следующим выражением
ηt = 1-(q2+m•q2b)/(q′1+q″1),
где q2 количества тепла, отводимого в окружающую среду газом (процесс показан линиями 1-5');
q2в количества тепла, отводимого в окружающую среду паром и жидкостью (процесс показан линиями 5''-5 и 5-1*);
q'1 количество тепла, подводимого с топливом в первую (основную) камеру сгорания (процесс показан линиями 2-3);
q''1 количество тепла, подводимого с топливом во вторую камеру сгорания перед силовой турбиной (процесс показан линиями 4''-4).

Все параметры приведены на 1 кг/c расхода воздуха или воды.

Преимущества реализации данного цикла:
высокий термический КПД;
большая суммарная теоретическая работа цикла.

Проведенный параметрический и сравнительный анализ газопаротурбинных энергетических устройств с регенерацией позволяет повысить эффективный КПД примерно в два раза по сравнению с ГТД традиционных схем без регенерации тепла, а эффективную работу увеличить в 7.8 раз. Использование бинарного газопарового цикла позволит также существенно улучшить экологическую чистоту энергетических и двигательных установок.

Использование: в электро- и теплотехнике, в частности в парогазовых энергетических установках. Сущность изобретения: парогазовая ГТУ содержит последовательно установленные входное устройство, компрессор, камеру сгорания, газовую и силовую турбины, где на выходе последней в выхлопном устройстве размещен теплообменник. Дополнительная камера сгорания с перегревателем пара установлена между газовой и силовой турбинами. Перегреватель пара смонтирован внутри нее по оси и выполнен в виде жаровой трубы с коническим соплом на выходе. Сужающий выход дополнительной камеры сгорания совместно с коническим соплом перегревателя пара образует парогазовый эжектор перед входом силовой турбины, которая присоединена к потребителю посредством проходящего через выхлопное устройство валом. Парогазовая ГТУ оснащена системой автоматического регулирования подачи топлива к форсункам и основной и дополнительной камер сгорания и регулятором подачи воды. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения пиковой мощности на парогазовой газотурбинной установке, включающий сжатие воздуха в компрессоре, сжигание части топлива в камере сгорания, расширение полученных при сжигании топлива газов в турбине для привода компрессора, сжигание второй части топлива в дополнительной камере сгорания и расширение полученных газов в силовой турбине, причем газы, направляемые в силовую турбину, смешиваются с перегретым паром, с использованием для его получения выхлопных газов силовой турбины, отличающийся тем, что пар дополнительно перегревают газами, полученными при сжигании второй части топлива, после чего увеличивают скорость движения пара, а его смешение с газами осуществляют, эжектируя газы паром перед подачей парогазовой смеси на силовую турбину. 2. Парогазовая газотурбинная установка, содержащая последовательно установленные в газовом тракте компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, дополнительную камеру сгорания и силовую турбину, в выхлопном устройстве которой размещен парогенератор, выход которого соединен пароводяным трактом с газовым трактом после газовой турбины, а выход с насосом подачи воды, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным пароперегревателем, парогазовым эжектором и рубашкой охлаждения дополнительной камеры сгорания, причем дополнительная камера сгорания выполнена с кольцевой жаровой трубой, а дополнительный пароперегреватель выполнен в виде тела вращения с сужающейся выходной частью, образующей активное сопло эжектора, и установлен в дополнительной камере сгорания соосно с ней, а рубашка охлаждения дополнительной камеры сгорания установлена в пароводяном тракте между парогенератором и дополнительным пароперегревателем.