ПАРОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F01K23/10 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в стационарных условиях на тепловых электростанциях.

Известна "Комбинированная энергетическая установка" по а.с.N 1760136, опубликованному 07.09.92 г. Она содержит компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, магистраль подачи сжатого воздуха, котел-утилизатор, паровую турбину, конденсатор, циркуляционный насос, газоводяной теплообменник, валопровод и электрогенератор. Недостаток данного изобретения невысокая температура дымовых газов, проходящих через котел-утилизатор и кроме того отбор сжатого воздуха перед камерами сгорания снижает массу газов проходящих через турбину и котел.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому и принятым за прототип является "Парогазовая установка" по а.с. N 1142649, F 01 K 23.10, опубликованная 28.02.85 г. Она содержит газотурбинный двигатель, который имеет компрессор, камеру сгорания и газовую турбину, а также выхлопной тракт разделенный на два канала и горелочное устройство под пароперегревателем, испаритель, экономайзер, паровую турбину и конденсатор. Недостатком данного устройства является повышенный расход топлива, сжигаемого в горелочном устройстве, а также недостаточная реализация тепла уходящих газов.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение расхода топлива и повышение утилизации тепла.

Задача решается тем, что парогазовая установка, включающая компрессор, камеру сгорания, турбины газовую и паровую, котел-утилизатор, экономайзер, пароперегреватель и газовый тракт снабжена котлом-утилизатором, выполненным кольцеобразным с внутренним уступом и со спиралевидными газовыми трубами, переходящими в вертикальное положение на уровне внутреннего уступа, где они и оканчиваются, а наружная часть котла продлена до кольцевого газосборника, причем в верхней части котла имеется кольцевое углубление, где выходы газовых труб снабжены сбоку выходными отверстиями и соединены с верхней частью котла, а между газовыми трубами полые выступообразные перемычки по которым проложены два трубопровода: один с питательной водой, другой, имеющий отверстия подводит отработавший пар, а при запуске сжатый воздух, под внутренним уступом котел снабжен кольцом, на котором со стороны пустой полости установлены пароперегреватели, а с обратной стороны кольца сопловый аппарат турбины, снабжена установленным на валу диском, снабженным камерами сгорания с подачей к ним топлива и сжатого воздуха, а при запуске и электрической искры, снабжена дополнительной паровой турбиной с компрессором, снабжена контактным и поверхностным экономайзерами, причем контактный с дополнительным теплообменником, пустая полость снизу перекрыта газовой турбиной, а сверху флянцем с валом и диском в одной плоскости с углублением.

В известном техническом решении имеются признаки сходные с признаками отличающими заявляемое решение от прототипа. Это наличие котла-утилизатора. Однако свойства заявляемого решения отличаются от свойств аналога, т.е. в известном котле-утилизатор выполнен прямоточного типа в виде змеевика, в котором недостаточно используется тепло отработавших газов, так как на площадь сечения газового тракта приходится малая доля сечения змеевика. Кроме того, применение дополнительно горелочного устройства повышает расход топлива. Но в заявляемом газовый трактат в котле разделен на несколько каналов, в которые подается горячий газ из камер сгорания, а затем за котлом газы подаются в турбину разбавленным и отработавшим паром. В связи с этим заявляемое техническое решение отличается от известных.

На фиг.1 изображен общий вид парогазовой установки; на фиг.2 - диаметральное сечение котла-утилизатора; на фиг.3 изображен диск с камерами сгорания; на фиг.4 изображен подвод топлива сжатого воздуха и электрической искры; на фиг.5 изображена часть котла с перемычками (без трубопроводов).

Парогазовая установка содержит котел-утилизатор 1 вертикальной установленный, выполненный в виде кольца с внутренней пустой полостью 2. Через котел проходят газовые трубы 3, выполненные в виде спирали, переходящей в вертикальное положение. Котел 1 имеет внутренний уступ где и оканчиваются газовые трубы 3 и под уступом крепится кольцо 4 на котором во избежание завихрений газа перед турбиной пароперегреватели 5 и 6 установлены со стороны пустой полости 2, а с другой стороны кольца сопловый аппарат 7 турбины 8 с валом 9, которая перекрывает снизу пустую полость 2. В верхней части котла 1 имеется кольцевое углубление 10 куда подведены газовые трубы 3, примыкающие к верхней части котла и сделаны в них отверстия для входа газов, а смежные стенки перекрыты, т. е. заварены металлическими листами образуя вогнутые полые перемычки 11 для воды и соединены с верхней частью котла как сообщающиеся сосуды. Поверху перемычек 11 проложены два трубопровода 12 и 13, из которых первый для окончательного подогрева питательной воды для котла, а второй для подачи охлаждающего газ отработавшего пара. В одной плоскости с углублением 10 в пустой полости 2 установлен на валу 14 диск 15 с камерами сгорания 16. Вал 14 проходит через флянец 17 с подшипниками и укреплен на крышке 18 котла или иным путем. На одном валу с диском 15 установлен электрогенератор 19 для выработки электроэнергии, а над ним подковообразная рама 20 для вала 14 с подшипником 21 и сальниками 22. В раме имеются сверления 23 и 24 для подвода сжатого воздуха и топлива соответственно через их трубопроводы 25 и 26. Вал 14 выполнен пустотелым с открытым концом, а с другой стороны с дном и внутри по центру на подшипнике 27 с сальниками 28 установлен трубопровод 29 для топлива. Вал 14 оканчивается в приемной камере 30 в раме 20 куда подводится через сверление 23 сжатый воздух. В целях запуска парогазовой установки для начала работы камер сгорания 16 на валу 14 установлено тонкосъемное кольцо 31, а на раме 20 напротив имеется пружинный контакт 32, к которому подведен провод 33, а другой провод 34 подсоединен на массу к раме 20.

Котел-утилизатор 1 снабжен еще вспомогательным оборудованием для использования тепла уходящих газов и пара, и это оборудование схематически изображено слева на фиг. 1. Котел снабжен кольцевым газосборником 35 с газовым трактом 36 для уходящих газов. В целях улучшения работы турбины, для снижения противодавления в затурбинном пространстве от кольцевого газосборника 35 могут отходить и несколько газовых трактов могущих объединяться в один газовый тракт 36. Уходящие газы проходят сначала через экономайзер 39. Стрелками указаны подвод и отвод воды от них, а также направление движения пара и воздуха. Контактный экономайзер имеет еще и промежуточный теплообменник 40. Поверхностный экономайзер 38 частично конденсирует воду из газов и для перекачки конденсата используемого для орошения газов и трубы с питательной водой используется циркуляционный насос 41. Излишки же конденсата могут направляться на водоподготовку. Контактный экономайзер 39 снабжен циркуляционным насосом 42 перекачки получаемого из газов конденсата и кроме того он еще перекачивает добавочную воду через трубопровод 43. За насосом 42 установлен распределительный кран 44 от которого часть воды идет на промежуточный теплообменник 40, а остальная масса используемая для питания котла идет на водоподготовку. Производимый в котле-утилизаторе 1 пар используется в турбинах 45 и 46 вращающих компрессоры 47 и 48 низкого и высокого давления. Для охлаждения сжатого воздуха с одновременным нагревом воды питающей котел предусмотрен теплообменник 49, от которого вода пройдя экономайзер 37 поступает в трубопровод 12 в углублении 10.

Парогазовая установка работает следующим образом.

После подключения пускового электрического тока подводят пружинный контакт 32 к тонкосъемному кольцу 31. Затем подают запасной сжатый воздух из системы через трубопровод 25, а через трубопровод 26 топливо к форсункам камер сгорания 16. Через запальную свечу в камерах сгорания топливо воспламеняется и газы вылетают из сопел с большой скоростью вращая диск 15 с валом 14 и генератором 19. Газы же попадая в кольцевое углубление 10 с вогнутыми перемычками 11 в спиральных газовых трубах изменяют свою направление на перпендикулярное диску 15 отдавая при этом тепло воде в котле и на перегрев пара в пароперегревателях 5 и 6. Для частичного охлаждения газов, вылетающих из сопел камер сгорания 16 предусмотрена подача сжатого воздуха по трубопроводу 13 в зону действия газов, где они частично расширяются и охлаждаются отдавая тепло воде. Газовые трубы имеют такое сечение, что предотвращается полное расширение газов и плюс к этому еще и подача сжатого воздуха, что позволяет частично сохранить давление в трубах 3, повысить массу воздушно-газовой смеси и использовать их энергию в газовой турбине 8. Через трубопровод 12 вода подаваемая в котел-утилизатор 1 будет значительно нагреваться способствуя ускоренному нагреву воды в котле. Газовоздушная смесь пройдя газовые трубы 3 и сопловый аппарат 7 поступает к лопаткам турбины 8. После запуска диска 15 подача электрического тока будет выключена и пружинный контакт 32 отведен от токосъемного кольца.

Вода в котле будет быстро прогреваться от действия высокой температуры и скорости газов. Там будет создаваться давление пара, необходимое для работы паровых турбин 45 и 46. После начала работы турбин прекратится подача сжатого воздуха от постороннего источника к трубопроводам 13 и 25, а будет подключена к трубопроводу 13 подача отработавшего пара, к трубопроводу 25 будет подаваться сжатый воздух от компрессора 48 высокого давления. Пар в турбины будет подаваться предварительно подогретым в пароперегревателях 5 и 6. Отработавший пар после запуска парогазовой установки будет подводиться в трубопровод 13 для подачи его в зону действия газов по их ходу для их охлаждения и увеличения парогазовой массы проходящей через турбину 8. За счет высокой скорости газов отходящие пары из трубопровода 13 через отверстия в нем будут всасываться в струю газов соединяясь с ними. Отработавшие газы через кольцевой газосборник 35 будут поступать в газовый тракт 36, который будет проходить сначала через экономайзер 37, затем поверхностный экономайзер 38 и контактный экономайзер 39, а навстречу уходящим газам будет подаваться вода используемая для подпитки котла. В поверхностном экономайзере 38 вода частично конденсируется из уходящих газов, а окончательная конденсация будет происходить в контактном экономайзере 39 и кроме того, частично освобождаться от вредных газов.

Компрессор 47 будет подавать сжатый воздух в теплообменник 49, где он будет охлаждаться, нагревая воду, идущую навстречу ему. Затем охлажденный сжатый воздух будет поступать в компрессор 48 высокого давления, где будет сжиматься повторно для повышения давления. Сжатый воздух от компрессора 48 с температурой не выше температуры самовоспламенения топлива будет поступать через трубопровод 25 к диску 15 и камерам сгорания 16. При выходе из компрессора 48 сжатого воздуха с температурой выше температуры самовоспламенения топлива он будет проходить снова через теплообменник 49, но уже по ходу движения воды. Наличие в парогазовой установке вращающегося на валу 14 диска 15 с камерами сгорания 16 дает возможность получать большой крутящий момент, а значит высокую эффективную мощность. Кроме того, вылетающие из камер сгорания 16 газы с высокой скоростью и температурой будут способствовать для эффективного использования их тепла в котле-утилизаторе для получения пара вращающего паровые турбины 45 и 46 с компрессорами 47 и 48, а также газы будут использоваться для перегрева пара в пароперегревателях 5 и 6 и в газовой турбине. Подача отработанного пара в зону действия горячих дымовых газов кроме охлаждающего их действия для уменьшения риска прогара котла способствует их перегреву и повышению массы паровоздушной смеси проходящей через турбину, что повышает ее мощность. Наличие нескольких экономайзеров 37, 38, 39, теплообменника 49 и трубопровода 12 с питательной водой в зоне выхода газов из камер сгорания 16 дает возможность нагревать питательную воду до температуры не меньше температуры воды в котле. Отработавший пар поданный в зону горячих газов и используемый в экономайзерах для нагрева питательной воды, позволяет вместо конденсатора использовать контактный и поверхностный экономайзеры 38 и 39 для конденсации пара, нагревания питательной воды и снижения токсичности уходящих газов.

Использование предлагаемой парогазовой установки по сравнению с прототипом дает возможность путем использования вращающегося диска 15 с камерами сгорания получать значительный крутящий момент на валу 14 и использовать тепло выходящих из камер сгорания газов для получения пара в котле-утилизаторе 1 для работы турбин 45 и 46 с компрессорами 47 и 48, а также и газовой турбины 8 за котлом и использование в газовом тракте тепла уходящих газов в экономайзерах 37, 38, 39 и теплообменнике 49 использующего тепло сжатого воздуха.

Использование также отработавшего пара в газовой турбине и для нагрева питательной воды в экономайзерах путем конденсации паров из газа позволяет полнее использовать тепло получающееся от сгорания топлива и снизить его расход.

Использование: изобретение относится к теплоэнергетике. Цель изобретения - снижение расхода топлива и повышение утилизации тепла. Сущность изобретения: парогазовая установка снабжена котлом-утилизатором, выполненным кольцеобразным с внутренним уступом и со спиралевидными газовыми трубами внутри, переходящими в вертикальное положение на уровне внутреннего уступа, где они и оканчиваются, а наружная часть котла продлена до кольцевого газосборника, причем в верхней части котла имеется кольцевое углубление, где выходы газовых труб снабжены входными отверстиями и соединены с верхней частью котла, и между газовыми трубами - полые вогнутые перемычки, по которым проложены два трубопровода: один с питательной водой для котла, другой имеющий отверстия, подводит отработавший пар, а при запуске для сжатого воздуха; под внутренним уступом котел снабжен кольцом, на котором со стороны пустой полости установлены пароперегреватели, а с обратной стороны кольца сопловый аппарат турбины; снабжена установленным на валу диском, снабженным камерами сгорания с подачей к ним топлива и сжатого воздуха, а при запуске и электрической искры; снабжена дополнительной паровой турбиной с компрессором, снабжена контактным и поверхностным экономайзерами, причем контактный с дополнительным теплообменником; пустая полость котла перекрыта газовой турбиной, а сверху фланцем с валом и диском в одной плоскости с углублением. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Парогазовая установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбины газовую и паровую, котел-утилизатор, экономайзер, пароперегреватель и газовый тракт, отличающаяся тем, что котел-утилизатор выполнен кольцеобразным с внутренним уступом и со спиралевидными газовыми трубами внутри, переходящими в вертикальное положение на уровне внутреннего уступа, где они и оканчиваются, а наружная часть котла продлена до кольцевого газосборника, причем в верхней части котла имеется кольцевое углубление, где выходы газовых труб снабжены входными отверстиями и соединены с верхней частью котла, а между газовыми трубами полые вогнутые перемычки, по которым проложены два трубопровода, один с питательной водой для котла, другой, имеющий отверстия, подводит отработавший пар в газовые трубы, а при запуске сжатый воздух, под внутренним уступом котел снабжен кольцом, на котором со стороны пустой полости установлены пароперенагреватели, а с обратной стороны кольца силовой аппарат турбины; снабжена установленным на валу диском, снабженным камерами сгорания с подачей к ним топлива и сжатого воздуха, а при запуске и электрической искры; снабжена дополнительной паровой турбиной с компрессором, снабжена контактным и поверхностным экономайзерами, причем контактный с дополнительным теплообменником. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что пустая полость котла снизу перекрыта газовой турбиной, а сверху фланцем с валом и диском в одной плоскости с углублением.