СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для снижения концентрации окислов азота и утилизации тепла выхлопных газов.

Известен способ работы газотурбинной установки, включающей ступенчатое сжатие воздуха, промежуточное охлаждение между ступенями сжимаемого воздуха и впрыскивание в него воды, сжигание топлива в сжатом воздухе в камере сгорания с одновременной подачей водяного пара в последнюю, расширение полученного рабочего тела с получением полезной работы на валу турбины, двухстадийное охлаждение выхлопных газов с одновременным нагревом водяного пара, выпуск охлажденных выхлопных газов в атмосферу.

Недостатками такого способа являются недостаточная эффективность процесса снижения окислов азота в выхлопных газах и большой расход воздуха, участвующего в сжигании топлива.

Известна также газотурбинная установка, содержащая многоступенчатый компрессор, включенные между ступенями промежуточной охладитель сжимаемого воздуха и трубопровод подачи воды, камеру сгорания с подключенным к ней паропроводом, турбину с расположенными в ее выхлопном тракте темплообменными секциями, подключенными по нагреваемой среде к паропроводу.

Недостатком установки является то, что в ней невозможно обеспечить возврат конденсата в цикл утилизационной установки.

Целью изобретения является снижение расхода воздуха через камеру сгорания газотурбинной установки, снижение содержания окислов азота в выхлопных газах и утилизация тепла выхлопных газов.

Цель достигается тем, что по способу работы газотурбинной установки, включающему ступенчатое сжатие воздуха, промежуточное охлаждение между ступенями сжимаемого воздуха и впрыскивание в него воды, сжигание топлива в сжатом воздухе в камере сгорания с одновременной подачей водяного пара в последнюю, расширение полученного рабочего тела с получением полезной работы на валу турбины, двухстадийное охлаждение выхлопных газов с одновременным нагревом водяного пара, выпуск охлажденных выхлопных газов в атмосферу, дополнительно падают воду в камеру сгорания, а водяной пар при промежуточном охлаждении сжимаемого воздуха, осуществляют перед охлаждением отбор части выхлопных газов, а охлажденную основную часть выхлопных газов промывают водой и дополнительно охлаждают в контактном теплообменнике, сепаратируют и очищают воду, при этом охлаждение выхлопных газов при первой стадии производят в котле-утилизаторе, охлаждение при второй стадии посредством инжекционного смешивания выхлопных газов с атмосферным воздухом, а их выпуск посредством их инжектирования с одновременным нагревом отобранной частью выхлопных газов, причем при промежуточном охлаждении сжимаемого воздуха и при подаче воды в камеру сгорания ее впрыск осуществляиют посредством мелкодисперсного распыливания воды паром, дополнительно при промежуточном охлаждении осуществляют сбор крупных капель и последующую их подачу в камеру сгорания, а отсепарированную очищенную воду после контактного теплообменника направляют в котел-утилизатор. Кроме того, сжигание топлива в камере сгорания осуществляют при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,3 1,4. При этом охлаждение посредством инжекционного смешивания выхлопных газов с атмосферным воздухом производят до температуры, близкой к температуре росы газовой смеси. Впрыск воды при мелкодисперсном ее распыливании осуществляют при соотношении расхода пара и воды, равном 1 100, при давлении пара на 1,5 2 кГс/см² выше, чем давление в камере сгорания.

Цель достигается тем, что газотурбинная установка, содержащая многоступенчатый компрессор, включенные между ступенями промежуточный охладитель сжимаемого воздуха и трубопровод подачи воды, камеру сгорания с подключенным к ней паропроводом, турбину с расположенными в ее выхлопном тракте двумя теплообменными секциями, подключенными по нагреваемой среде к паропроводу, снабжена контактным теплообменником с промывочным устройством, смесительным инжектором со струйными соплами, байпасным трубопроводом, подключенным к выходу из турбины и струйным соплам, при этом промежуточный охладитель сжимаемого воздуха выполнен в виде струйного газовоздушного агрегата со сборником отсепарированной воды, подключенным к камере сгорания, а паропровод и трубопровод подачи воды подключены к охладителю, первая теплообменная секция выполнена в виде котла-утилизатора, вторая -в виде инжектора, подключенного к атмосфере. Инжектор выполнен со струйными соплами и регулируемым жалюзийным устройством подвода атмосферного воздуха для смешивания с выхлопными газами. При этом контактный теплообменник снабжен замкнутым циркуляционным контуром оборотной воды, включающим фильтр очистки воды и конденсатор. Установка снабжена выносным сепаратором, соединенным с циркуляционным контуром оборотной воды и котлом-утилизатором. Кроме того, контактный теплообменник может быть выполнен противоточного типа тока воды, поперечного типа тока воды или барботажного типа.

Предлагаемое решение отличается от известных решений в области снижения содержания окислов азота и утилизации тепла выхлопных газов тем, что глубокая утилизация тепла выхлопных газов достигается в парогазовом цикле, работающем на парогазовой смеси, с полным возвратом конденсата в цикле "пар конденсат" котла-утилизатора при сниженном расходе оборотной воды, при этом работа газотурбинной установки осуществляется при сниженном до значения α 1,3 1,4 расходе воздуха и при сниженной концентрации продуктов сгорания в очищенном от влаги и окислов азота выхлопном газе. Несмотря на повышенное дополнительное сопротивление тракта выхлопных газов, эффективный КПД установки в результате реализации всех предложенных взаимосвязанных технических решений составляет 40 42% при практически полном исключении содержания окислов азота в выхлопных газах и при минимальном расходе оборотной воды.

На чертеже изображена схема газотурбинной установки для осуществления способа.

Установка содержит многоступенчатый компрессор, включенные между ступенями 1 низкого давления и 2 высокого давления промежуточный охладитель 3 сжимаемого воздуха, выполненный в виде струйного газовоздушного агрегата со сборником 4 отсепарированной воды и трубопровод 5 подачи воды, камеру 6 сгорания с подключенным к ней паропроводом 7. Струйный газовоздушный агрегат 3 со сборником 4 отсепарированной воды подключен к камере 6 сгорания, а паропровод 7 и трубопровод 5 подачи воды подключены к газовоздушному агрегату 3. Струйный газовоздушный агрегат 3 и камера 6 сгорания снабжены форсунками 8 и 9 соответственно для мелкодисперсного распыливания воды паром в среде воздуха и газа высокого давления.

Установка снабжена также приводной 10 и силовой 11 газовыми турбинами, энергопреобразователем 12 мощности, выполненным в виде энергогенератора, нагнетателя природного газа или гребного движителя и выхлопным трактом 13. В выхлопном тракте турбины 11 расположены две теплообменные секции, подключенные по нагреваемой среде к паропроводу 7 подачи пара к форсункам 8 и 9 газовоздушного агрегата 3 и камеры 6 сгорания. Первая теплообменная секция выполнена в виде котла -утилизатора 14 с испарительной 15, экономайзерной (не показана) и пароперегревательной 16 конвективными поверхностями нагрева, вторая в виде инжектора 17 со струйными соплами 18 и регулируемым жалюзийным устройством 19 подвода атмосферного воздуха для смешивания с выхлопными газами.

Установка снабжена контактным теплообменником 20, который может быть выполнен противоточного типа тока воды, поперечного типа тока воды или барботажного типа с промывочным устройством 21 и с замкнутым циркуляционным контуром 22 оборотной воды, включающим фильтр 23 очистки и конденсатор 24 (водяной или воздушный), смесительным инжектором 25 со струйными соплами 26, байпасным трубопроводом 27, подключенным к выхлопному тракту 13 турбины 11 и струйным соплам 26, выносным сепаратором 28, имеющим паровой объем над свободным уровнем воды, соединенным с циркуляционным контуром 22 оборотной воды и котлом-утилизатором 14. Замкнутый циркуляционный контур 22 оборотной воды соединен трубопроводом 29 через экономайзер котла-утилизатора 14 с водяным объемом сепаратора 28.

Способ осуществляется следующим образом.

Воздух из атмосферы, сжатый в ступени 1 компрессора низкого давления, поступает в струйный газовоздушный агрегат 3, где смешивается с мелкодисперсно-распыленной смесью пара и воды, подаваемых через форсунки 8 по паропроводу 7 и трубопроводу 5 от котла-утилизатора 14, охлаждается (за счет быстрого испарения воды) с повышением давления в газовоздушном агрегате 3 и направляется через ступень 2 компрессора высокого давления в камеру 6 сгорания. Крупные частицы влаги, отсепарированные в газовоздушном агрегате 3, отводятся через сборник 4 отсепарированной воды на форсунки 9 камеры 6 сгорания, куда также подводится пар по паропроводу 7 и вода по трубопроводу 5 от котла-утилизатора 14. При этом давление инжектируемого пара, подаваемого по паропроводу 7, должно на 1,5 2 кГс/см² превосходить значение давления в камере 6 сгорания.

Воздух от ступени 1 компрессора подводится в количестве, обеспечивающем качественное сжигание топлива в камере 6 сгорания при значении коэффициента избытка воздуха 1,3 1,4 (вместо значения 5 6 для обычных газотурбинных установок), пароводяная смесь в газовоздушный агрегат 3 подается в количестве, обеспечивающем насыщение воздуха паром без расслоения паровоздушной смеси, направляемой на ступень 2 компрессора и в камеру 6 сгорания, а количество пароводяной смеси, впрыскиваемой в камеру сгорания, устанавливают достаточным и необходимым для поддержания заданного температурного режима и давления в камере сгорания и на выходе в газовую турбину 10. Вследствие увеличения количества рабочего тела и теплоемкости продуктов сгорания полезная работа силовой турбины 11, а, следовательно, и энергопреобразователя 12 значительно увеличивается по сравнению с обычными газотурбинными установками (при одинаковой температуре продуктов сжигания перед силовой турбиной 11).

Продукты сгорания, отработавшие в турбинах 10 и 11, направляются по выхлопному тракту 13 (последовательно по ходу газов) в котел-утилизатор 14, в инжектор 17, в контактный теплообменник 20 и удаляются в атмосферу через смесительный инжектор 25.

Особенность способа состоит в том, что давление генерируемого слабоперегретого пара должно на 1,5 2 кГс/см² превышать значение давления в камере 6 сгорания, соотношение расхода пара и нагретой до состояния насыщения воды в сепараторе 28 составляет 1 100, а подпитка сепаратора 28 водой осуществляется из циркуляционного контура 22 контактного теплообменника 20. При этих условиях сопротивление газового тракта конвективных поверхностей 16, 15 и экономайзера эквивалентно 2 2,5% мощности силовой турбины 11, а ожидаемая температура газов за котлом-утилизатором 14 составляет для современных конструкций котлов-утилизаторов 150 170^oC.

Охлажденная в котле-утилизаторе 14 парогазовая смесь поступает через струйные сопла 18 в инжектор 17, в котором дополнительно охлаждается путем инжекции воздуха из атмосферы, поступающего через регулируемое жалюзийное устройство 19. При газодинамическом сопротивлении сопл 18, эквивалентном 1,5
2% мощности силовой турбины 11, достигается перемешивание парогазовой смеси и воздуха в отношении 1 2,5 и, как следствие, снижение температуры парогазовоздушной смеси до температуры, близкой к температуре "точки росы" газовой смеси, а также снижение концентрации окислов азота.

Полученная в инжекторе 17 парогазовоздушная смесь поступает в контактный теплообменник 20, в котором дополнительно охлаждается путем прямого контакта смеси газов и воды, поступающей через промывочное устройство 21. Прямой контакт воды и газа может осуществляться по принципу противоточного, поперечного или барботажного контакта и обеспечивает при температуре смеси ниже "точки росы" промывку и выделение в водяной раствор влаги и тяжелых фракций окислов азота, в том числе окислов азота, содержащихся в парогазовоздушной смеси. При глубокой утилизации тепла выхлопных газов в контактном теплообменнике 20 выделяется в водную фазу (растворную, например аммиачную воду) как влага, введенная в цикл в газовоздушном агрегате 3 и камере 6 сгорания, так и влага и продукты окислов азота, полученные в процессе сжигания топлива в камере сгорания. Выделившиеся компоненты в смеси с оборотной водой, нагретой в контактном теплообменнике 20 до температуры 55^oC, отводятся в фильтр 23 очистки, после чего часть очищенной воды направляется по трубопроводу 29 через экономайзер (не показан) в сепаратор 28, а остальная на конденсатор 24 и далее на промывочное устройство 21 контактного теплообменника 20. Таким образом, в контактном теплообменнике 20 осуществляется глубокая утилизация тепла выхлопных газов, сепарация их от влаги и тяжелых фракций окиси углерода, а также очистка воды и возврат конденсата в цикл пар конденсат котла-утилизатора 14.

Из контактного теплообменника 20 очищенный и охлажденный до температуры 30 40^oC газ направляется в смесительный инжектор 25, в котором подогревается до заданной по метеорологическим условиям температуры путем инжекционного смешения основного потока газа с газом, поступающим по байпасному трубопроводу 27 на струйные сопла 26.

Благодаря высокому значению располагаемого перепада давления в струйных соплах 26 в смесительном инжекторе 25 достигаются эффективное перемешивание и нагрев основного потока газа, а также улучшение транспортировки газа от контактного теплообменника 20 в атмосферу за счет дополнительного газодинамического инжекционного эффекта в соплах 26. Таким образом, струйные сопла 26 обеспечивают отвод в атмосферу очищенного, нагретого до заданной по метеорологическим условиям температуры газа.

Использование: в энергетике, в частности для снижения концентрации окислов азота и утилизации тепла выхлопных газов. Сущность изобретения: газотурбинная установка снабжена теплообменником с промывочным устройством, смесительным инжектором со струйными соплами, байпасным трубопроводом, подключенным к выходу из турбины и струйным соплам, промежуточным охладителем сжимаемого воздуха, установленным между ступенями компрессора и выполненным в виде струйного газовоздушного агрегата со сборником отсепарированной воды, подключенным к камере сгорания, паропроводом и трубопроводом подачи воды, подключенными к охладителю. В выхлопном тракте турбины расположены две теплообменные секции, первая секция выполнена в виде котла-утилизатора, вторая - в виде инжектора, подключенного к атмосфере. 2 с. и 9 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы газотурбинной установки, включающий ступенчатое сжатие воздуха, промежуточное охлаждение между ступенями сжимаемого воздуха и впрыскивание в него воды, сжигание топлива в сжатом воздухе в камере сгорания с одновременной подачей водяного пара в последнюю, расширение полученного рабочего тела с получением полезной работы на валу турбины, двухстадийное охлаждение выхлопных газов с одновременным нагревом водяного пара, выпуск охлажденных выхлопных газов в атмосферу, отличающийся тем, что дополнительно впрыскивают воду в камеру сгорания, а водяной пар подают при промежуточном охлаждении сжимаемого воздуха, осуществляют перед охлаждением отбор части выхлопных газов, а охлажденную основную часть выхлопных газов промывают водой и дополнительно охлаждают в контактном теплообменнике, сепарируют и очищают воду, при этом охлаждение выхлопных газов при первой стадии производят в котле-утилизаторе, охлаждение при второй стадии посредством инжекционного смешивания выхлопных газов с атмосферным воздухом, а их выпуск посредством их инжектирования с одновременным нагревом отобранной частью выхлопных газов, причем при промежуточном охлаждении сжимаемого воздуха и при впрыске воды в камеру сгорания ее впрыск осуществляют посредством мелкодисперсного распыливания воды паром, дополнительно при промежуточном охлаждении осуществляют сбор крупных капель и последующую их подачу в камеру сгорания, а отсепарированную очищенную воду после контактного теплообменника направляют в котел-утилизатор. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжигание в камере сгорания осуществляют при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,3 1,4. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что охлаждение посредством инжекционного смешивания выхлопных газов с атмосферным воздухом производят до температуры, близкой к температуры, близкой к температуре росы газовой смеси. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что впрыск воды при мелкодисперсном ее распылении паром осуществляют при соотношении расхода пара, воды, равном 1 100, и при давлении пара на 1,5 2 кгс/см² выше, чем давление в камере сгорания. 5. Газотурбинная установка, содержащая многоступенчатый компрессор, включенный между ступенями промежуточный охладитель сжимаемого воздуха, и трубопровод подачи воды, камеру сгорания с подключенным к ней паропроводом, турбину с расположенными в ее выхлопном тракте двумя теплообменными секциями, подключенными по нагреваемой среде к паропроводу, отличающаяся тем, что установка снабжена контактным теплообменником с промывочным устройством, смесительным инжектором со струйными соплами, байпасным трубопроводом, подключенным к выходу из турбины, и струйным соплом, промежуточный охладитель сжимаемого воздуха выполнен в виде струйного газовоздушного агрегата со сборником отсепарированной воды, подключенным к камере сгорания, а паропровод и трубопровод подачи воды подключены к охладителю, первая теплообменная секция выполнена в виде котла-утилизатора, вторая в виде инжектора, подключенного к атмосфере. 6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что инжектор выполнен со струйными соплами и регулируемым жалюзийным устройством подвода атмосферного воздуха для смешивания с выхлопными газами. 7. Установка по п.5, отличающаяся тем, что контактный теплообменник снабжен замкнутым циркуляционным контуром оборотной воды, включающим фильтр очистки воды и конденсатор. 8. Установка по пп.5 7, отличающаяся тем, что она снабжена выносным сепаратором, соединенным с циркуляционным контуром оборотной воды и котлом-утилизатором. 9. Установка по пп.5 и 7, отличающаяся тем, что контактный теплообменник выполнен противоточного типа тока воды. 10. Установка по пп.5 и 7, отличающаяся тем, что контактный теплообменник выполнен поперечного типа тока воды. 11. Установка по пп.5 и 7, отличающаяся тем, что контактный теплообменник выполнен барботажного типа.