СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОЦЕНТРАЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02C9/48 

Изобретение относится к области энергетики и, в частности к стационарным и передвижным газотурбинным теплоэлектроцентралям,
Широко известны способы работы газотурбинных установок, заключающиеся в сжатии воздуха в компрессоре, сжигании органического топлива в камере сгорания, расширении продуктов сгорания в турбине с получением работы [1]
Недостатком аналога является низкий КПД использования топлива в установке.

Известен способ работы теплоэлектроцентрали, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в сжатии воздуха в компрессоре, сжигании топлива в камере сгорания, охлаждении продуктов сгорания в высоконапорной части парогенератора, расширении продуктов сгорания в газовой турбине, дальнейшем охлаждении их в низконапорной части парогенератора и поверхностях нагрева питательной воды, выбросом продуктов сгорания в окружающую среду, получением тепла и электроэнергии, отпускаемых потребителю [2]
Недостаток прототипа заключается в том, что газотурбинный агрегат работает не в номинальном режиме при изменении тепловой и электрической нагрузки с ухудшением КПД, а также затрудняет пуск установки и увеличивает время выхода на требуемый режим.

Предлагаемый способ работы газотурбинной установки для теплоэлектроцентрали (ГТУ ТЭЦ) и устройство для его реализации решает задачу повышенной маневренности установки и устраняет указанные недостатки.

В части способа цель достигается организацией работы газотурбинного агрегата (турбокомпрессора-ТК) в номинальном режиме на всех переменных режимах отпуска тепла в виде пара (горячей воды) и электроэнергии потребителю путем поддерживания постоянного расхода продуктов сгорания и их температуры перед газовой турбиной (ГТ) за счет регулирования подачи воздуха и топлива во вспомогательную камеру сгорания (КС2), расположенную между высоконапорной частью (ВЧ) парогенератора и газовой турбиной, а также путем регулирования режима работы основной камеры сгорания (КС1) от номинальной нагрузки до нулевой уменьшением расхода топлива или расходов топлива и воздуха.

Тепловая и электрическая мощь ГТУ ТЭЦ изменяется также и путем регулирования режимов работы основной и вспомогательной камер сгорания за счет дополнительного впрыска воды и/или водяного пара в огневую часть или во вторичный воздух одной или обеих камер сгорания, при этом пуск ГТУ ТЭЦ осуществляется посредством вспомогательной камеры сгорания, а выход на режим - включением основной камеры сгорания.

В части устройства задача решается за счет дополнительной вспомогательной камеры сгорания, установленной на газоходе продуктов сгорания между высоконапорной частью парогенератора и газовой турбиной, соединенной воздуховодом с выходом компрессора (К) и подключенной к топливной магистрали, а также установкой в камерах сгорания дополнительных форсунок для впрыска воды и/или водяного пара, подключенных к водопроводу и паропроводу, и установкой регулирующей арматуры на подводящих к камерам сгорания воздуховодах, топливных магистралях, водопроводах и паропроводах.

На чертеже изображена схема газотурбинной теплоэлектроцентрали, в которой реализуется предложенный способ.

Газотурбиная теплоэлектроцентраль включает компрессор 1, основную камеру сгорания 2, высоконапорную часть парогенератора 3, вспомогательную камеру сгорания 4, газовую турбину 5, сидящую на одном валу с компрессором (турбокомпрессор), низконапорную часть парогенератора 6, воздуховод 7, газоход 8, топливопровод 9, регулирующую арматуру 10, водопровод 11, паропровод 12, трубопровод 13.

Способ осуществляется следующим способом.

Начальный импульс вращения турбокомпрессора (ТК) дается стартером, внешним источником сжатого воздуха или иным способом. Воздух из компрессора 1 и топливо по топливопроводу 9 подаются во вспомогательную камеру сгорания 4 (КС2). При достижении номинальных оборотов ТК открывается постепенная подача воздуха и топлива в основную камеру сгорания 2 (КС1) с одновременным регулированием подачи воздуха и топлива в камеру сгорания 4 таким образом, чтобы расход и температура продуктов сгорания перед газовой турбиной 5 остались постоянными, соответствующими номинальному режиму работы ТК. Наконец, весь воздух из компрессора 1 будет поступать в основную камеру сгорания 2, в которой происходит сгорание топлива при заданном коэффициенте избытка воздуха (обычно близким к единице). Продукты сгорания топлива из камеры сгорания 2 проходят последовательно высоконапорную часть парогенератора 3, поступают в камеру сгорания 4, где корректируется температура продуктов сгорания, затем в газовую турбину 5 и далее после расширения в турбине поступают в низконапорную часть парогенератора 6 и затем выбрасываются в атмосферу.

Питательная вода поступает в низконапорную часть парогенератора 6, затем в высоконапорную часть парогенератора 3 (или в иной последовательности) воспринимает тепло продуктов сгорания и в виде пара (или горячей воды) подается потребителю или направляется в паровую турбину с получением механической (электрической) энергии и после расширения в турбине направляется потребителю или в теплообменник-конденсатор, где отдает тепло нагреваемой сетевой воде, конденсируется, и конденсат опять поступает с помощью циркуляционного насоса в парогенератор. Избыточная мощность газовой турбины используется также для получения электроэнергии.

Изменение тепловой и электрической мощности ГТУ ТЭЦ можно проводить и за счет дополнительного впрыска воды и/или водяного пара в одну или обе камеры сгорания. При этом можно увеличить механическую мощность газовой турбины и, тем самым, снизить большее количество электрической энергии с электрогенератора. Таким образом, впрыск воды или водяного пара существенно расширяет диапазон регулирования тепловой и электрической мощности ГТУ ТЭЦ.

Пуск установки и выход на заданный режим можно осуществить и другим способом. При начальной раскрутке турбокомпрессора стартером или иным путем воздух подается в основную камеру сгорания 2, а топливо во вспомогательную камеру сгорания 4. По мере увеличения числа оборотов ТК открывается подача топлива в основную камеру сгорания 2 (КС1), и установка выводится на заданный режим. В дальнейшем вспомогательная камера сгорания 2 служит лишь для поддержания постоянства температуры продуктов сгорания перед газовой турбиной на любом режиме работы ГТУ ТЭЦ.

Таким образом. ГТУ ТЭЦ может работать в режиме тепловой нагрузки от максимальной, когда включены в работу высоконапорная и низконапорная части парогенератора, до минимальной, когда в работе используется только низконапорная часть парогенератора. При этом турбокомпрессор всегда работает в номинальном режиме,
Изменение тепловой мощности ГТУ ТЭЦ от максимальной до минимальной происходит: или за счет уменьшения расхода топлива в основную камеру сгорания от максимума, соответствующего коэффициенту избытка воздуха, чуть больше 1 ((α ≈ 1,05),), до полного прекращения подачи топлива; или путем уменьшения расхода воздуха и топлива в основную камеру сгорания до полного отключения ее от работы.

Изменение электрической мощности от минимальной до максимальной происходит также и за счет количества впрыскиваемой воды и/или водяного пара в дополнительную камеру сгорания, т. е. за счет увеличения расхода рабочего тела в газовой турбине при сохранении его начальной температуры.

Использование: энергетика стационарная и передвижная. Сущность изобретения: повышение маневренности установки, улучшение экономических и экологических показателей осуществляется путем работы газотурбинного агрегата в номинальном режиме на всех переменных режимах отпуска тепла в виде пара (горячей воды) и электроэнергии потребителю за счет поддерживания постоянного расхода продуктов сгорания и их температуры перед газовой турбиной путем регулирования подачи воздуха и топлива во вспомогательную камеру сгорания, установленную на газоходе продуктов сгорания между высоконапорной частью парогенератора и газовой турбиной, а также путем регулирования режима работы основной камеры сгорания от номинальной нагрузки до нулевой уменьшением расхода топлива или расходов топлива и воздуха, и за счет дополнительного впрыска воды и/или водяного пара в одну или в обе камеры сгорания. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы газотурбинной установки для теплоэлектроцентрали, заключающийся в сжатии воздуха в компрессоре турбокомпрессора и подаче его в камеру сгорания, сжигании топлива в камере сгорания, охлаждении продукта сгорания в высоконапорной части парогенератора, расширении продукта сгорания в газовой турбине турбокомпрессора, дальнейшем их охлаждении в низконапорной части парогенератора с последующим выбросом в атмосферу, получении отпускаемых потребителю тепла и электроэнергии, отличающийся тем, что на всех переменных режимах отпуска тепла и электроэнергии турбокомпрессор работает в номинальном режиме путем поддерживания постоянными расхода продуктов сгорания и их температуры перед турбиной за счет регулируемой подачи воздуха из компрессора и топлива из топливной магистрали во вспомогательную камеру сгорания, установленную на газоходе продуктов сгорания между высоконапорной частью парогенератора и газовой турбиной турбокомпрессора. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы основной камеры сгорания от номинальной нагрузки до нулевой уменьшением рахода подаваемого в нее топлива. 3. Способ по п.1, отличающаяся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы основной камеры сгорания от номинальной нагрузки до нулевой уменьшением расходов подаваемых в нее топлива и воздуха. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования работы вспомогательной камеры сгорания за счет дополнительного впрыска в нее воды. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки измеряются путем регулирования режима работы основной камеры сгорания за счет дополнительного впрыска в нее воды. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режимов работы основной и вспомогательной камер сгорания за счет дополнительного впрыска в них воды. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы вспомогательной камеры сгорания за счет дополнительного впрыска в нее водяного пара. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы основной камеры сгорания за счет впрыска в нее водяного пара. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режимов работы основной и вспомогательной камер сгорания за счет дополнительного впрыска и них водяного пара. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы вспомогательной камеры сгорания за счет впрыска в нее воды и водяного пара. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режима работы основной камеры сгорания за счет дополнительного впрыска в нее воды и водяного пара. 12. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепловая и электрическая мощности установки изменяются путем регулирования режимов работы основной и вспомогательной камер сгорания за счет дополнительного впрыска в них воды и водяного пара. 13. Способ по пп.4 11, отличающийся тем, что подача воды и/или водяного пара осуществляется в огневую часть и/или во вторичный воздух камер сгорания. 14. Способ по п.1, отличающийся тем, что пуск установки осуществляется посредством подачи топлива и воздуха во вспомогательную камеру сгорания, а выход на требуемый режим включением в работу основной камеры сгорания. 15. Газотурбинная установка для теплоэлектроцентрали, включающая компрессор газотурбинного агрегата, камеру сгорания, газовую турбину газотурбинного агрегата, высоконапорную и низконапорную части парогенератора, соединенные между собой посредством трубопровода, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена вспомогательной камерой сгорания, установленной на газоходе продуктов сгорания между высоконапорной частью парогенератора и газовой турбиной, соединенной воздуховодом с выходом компрессора и подключенной к топливной магистрали, при этом основная и вспомогательная камеры сгорания дополнительно снабжены форсунками подачи воды и водяного пара, которые подключены к водопроводу подачи воды в низко- и высоконапорную части парогенератора, а также к трубопроводу, соединяющему высоконапорную часть парогенератора с низконапорной частью парогенератора. 16. Установка по п.15, отличающаяся тем, что при подаче воды в высоконапорную часть парогенератора форсунки подвода водяного пара дополнительно подключены к выходу пара из низконапорной части парогенератора. 17. Установка по п.15, отличающаяся тем, что при подаче воды в низконапорную часть парогенератора форсунки подачи водяного пара подключены к выходу пара из высоконапорной части парогенератора. 18. Установка по пп.15 17, отличающаяся тем, что на подводящих к камерам сгорания воздуховодах, топливопроводах, водопроводах, паропроводах установлена регулирующая арматура.