Настоящее изобретение относится к способу и устройству для увеличения энергии, производимой газовыми турбинами, в частности касается способа и устройства для увеличения энергии, вырабатываемой газовыми турбинами на наземных электростанциях с комбинированным циклом.
Энергетическая установка с комбинированным циклом представляет собой установку, в которой отработанные газы, образующиеся в газовой турбине, используют для работы парового котла, который производит пар, подаваемый в паровую турбину. Энергия, вырабатываемая такой энергетической установкой с комбинированным циклом, представляет собой сумму мощностей генераторов, приводимых соответствующими турбинами. Обычно для увеличения работы, производимой газовой турбиной, уменьшают температуру и увеличивают давление на входе в турбину. В трудах Американского общества инженеров-механиков N 65-GTP-8 (1965) Фостер-Пегг Р.У. описывает способ наддува газовой турбины (т.е. увеличение давления на входе) для увеличения выходной мощности турбины. Вредный эффект на выходную мощность газовой турбины в результате повышения температуры воздуха во время работы вентилятора компенсируется за счет разбрызгивания воды в воздух, оставляющий вентилятор, и до подачи воздуха в турбину для охлаждения этого воздуха. Регулирование температуры и влажности окружающего воздуха согласно этому способу оказывает эффект на увеличение выходной мощности турбины.
Этот способ не показал себя эффективным в условиях высоких температур и влажности.
Кроме того, газовые турбины производят уменьшенную работу при высоких температурах окружающей среды из-за снижения потока массы воздуха через систему. Такие высокие температуры в комбинированном цикле, использывающем паровую турбину, работающую за счет пара, производимого отработанными газами из турбины, также приводят к уменьшению потока массы отработанных газов, в результате снижается работа, производимая паровой турбиной. Даже в этом случае эффект на работу паровой турбины будет только частично компенсироваться в условиях высоких температур, если применяют водоохлаждаемые конденсаторы, из-за повышенной температуры отработанных газов. В таком случае работа, производимая паровой турбиной, снижается из-за низкого потока массы газов, оставляющих турбину, восстанавливается до некоторой степени благодаря высокой температуре газов, но затем снова уменьшается из-за высокого давления конденсации в воздухоохлаждаемом конденсаторе.
В патенте США N 3796045 раскрыта силовая установка с газовой турбиной, в которой воздух, подаваемый в компрессор газовой турбины, сначала проходит через приводимый двигателем вентилятор, который нагнетает подаваемый воздух, и затем воздух проходит через охладитель для его резкого охлаждения, для которого можно применять обычную холодильную установку компрессорного типа. Полезная мощность, достигаемая согласно этому решению, превышает полезную мощность силовой установки с газовой турбиной без предварительного сжатия и резкого охлаждения воздуха. В другом варианте исполнения, показанном в патенте '045, предусмотрено устройство для преобразования отработанного тепла с целью использования тепла отработанных газов из газовой турбины для привода вентилятора и охладителя для резкого охлаждения.
В одновременно рассматриваемой заявке N 07/818123, поданной 8 января 1992 г., раскрыт охладитель для глубокого охлаждения воздуха, подаваемого в газовую турбину. Термин "глубокое охлаждение" используют в этом описании, чтобы показать, что воздух охлаждают до температуры, которая значительно ниже температуры окружающего воздуха. Точнее, термин "глубокое охлаждение" означает охлаждение воздуха до минимальной температуры, считающейся подходящей для охлаждения воздуха на входе в силовую установку с газовой турбиной типа, которую обычно применяют на электростанциях для передачи энергии в сеть электропередач. Такая температура составляет обычно примерно 45oF (10oC) для исключения образования льда на лопатках главного компрессора, приводимого газовой турбиной, с учетом перепада примерно 10oF (5oC) в статической температуре воздуха на входе в компрессор и 3oF (2oC) коэффициента безопасности.
Глубокое охлаждение в установках, в которых отмечается высокая относительная влажность, не является эффективным с экономической точки зрения. Например, охладители для глубокого охлаждения, а также испарительные охладители не применяют во Флориде или других влажных районах на восточном побережье США, но их широко используют в районах Калифорнии с сухим климатом.
Известен также способ увеличения энергии, вырабатываемой системой газовой турбины, заключающийся в сжатии окружающего воздуха главным компрессором, нагреве сжатого воздуха в камере сгорания с образованием горячих газов, расширяющихся далее в газовой турбине, приводящей главный компрессор и нагрузку, образовании горячих отходящих газов и предварительном сжатии окружающего воздуха выше по потоку от главного компрессора и охлаждении предварительно сжатого воздуха перед подачей его в главный компрессор (см. Атлас конструкций и схем. Газотурбинные установки, под редакцией Шубенко-Шубина Л.А. , Москва, Машиностроение, 1976, с. 151, рис. VI-I).
Недостатком известного способа является малая эффективность во время жаркой и влажной погоды.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание нового улучшенного способа для увеличения энергии, вырабатываемой газовыми турбинами, за счет обеспечения улучшенного способа предварительного сжатия и охлаждения горячего, предварительного сжатого окружающего воздуха.
Поставленная задача достигается за счет того, что в способе увеличения энергии, вырабатываемой системой газовой турбины, заключающемся в сжатии окружающего воздуха главным компрессором, нагреве сжатого воздуха в камере сгорания с образованием горячих газов, расширяющихся далее в газовой турбине, приводящей главный компрессор и нагрузку, образовании горячих отходящих газов и предварительном сжатии окружающего воздуха выше по потоку от главного компрессора и охлаждении предварительно сжатого воздуха перед подачей его в главный компрессор, предварительное сжатие окружающего воздуха выше по потоку от главного компрессора производят только во время жаркой влажной погоды до величины давления не более чем 115% от давления окружающего воздуха. Из горячих отходящих газов, производимых газовой турбиной, получают пар, который используют для сопутствующего генерирования или для привода паровой турбины. Температуру охлажденного предварительно сжатого воздуха поддерживают по существу независимой от окружающих условий. Так же поддерживают перепад температуры в воздухе, подаваемом охладителем косвенного охлаждения на величину незначительно больше, чем увеличение температуры, обеспечиваемое предварительным компрессором так, что температура предварительно сжатого воздуха незначительно ниже окружающей температуры для обеспечения конденсации водяного пара в предварительно сжатом воздухе, и вводят конденсат в камеру сгорания газовой турбины для контроля за окислами азота, образованными в камере сгорания. Для косвенного охлаждения предварительно сжатого воздуха используют озерную или морскую воду, или воду из градирен, или окружающий воздух.
Согласно настоящему изобретению охлаждение обеспечивает снижение температуры предварительно сжатого воздуха примерно до температуры окружающего воздуха, тогда как при испарительном и/или резком охлаждении температура воздуха уменьшается ниже температуры окружающего воздуха. Следовательно, в соответствии с настоящим изобретением сушка влажного воздуха не требуется в отличие от способов, применяющих испарительные охладители для глубокого охлаждения, где нагрузка охлаждения будет увеличиваться на коэффициент три в условиях влажности.
Настоящее изобретение не только улучшает коэффициент эффективности, но делает это без ущерба из-за повышенной нагрузки в условиях влажности.
Когда относительная влажность высокая, охлаждение согласно настоящему изобретению будет снижать температуру воздуха до уровня, который слегка выше температуры окружающего воздуха. Иначе говоря, охлаждение будет уменьшать температуру воздуха до уровня, который слегка ниже температуры окружающей среды, если это является экономически эффективным. Однако в энергетической установке с комбинированным циклом в соответствии с изобретением необходимо учитывать результаты снижения температуры воздуха до слегка ниже температуры окружающей среды. Предпочтительно в тех местах, где относительная влажность составляет примерно 80% или выше и даже приближается к 100%, предварительно сжатый воздух может охлаждаться до температуры примерно на 5oC выше температуры окружающей среды, а в тех местах, где относительная влажность находится между 50% и 80%, предварительно сжатый воздух может охлаждаться до температуры на 10oC ниже температуры окружающей среды в зависимости от экономической эффективности систем.
Настоящее изобретение является также эффективным в сухих районах, где применение глубоких охладителей или испарительных охладителей невозможно с экономической точки зрения (например, в тех местах, где ограничены запасы воды или они загрязнены). Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением работа при температурах, которые превышают температуру окружающей среды, позволяет применить менее дорогостоящие теплообменники, которые работают с использованием окружающего воздуха в качестве охлаждающей среды, а не хладагента.
Кроме того, благодаря охлаждению воздуха до температур в соответствии с настоящим изобретением работа, производимая газовой турбиной, а также паровой турбиной в комбинированном цикле, будет увеличиваться. Что касается паровой турбины, то производимая работа будет больше, чем та работа, которая производится, когда применяют глубокое или испарительное охлаждение, поскольку будет создаваться больше тепла, так как температура отработанных газов, оставляющих газовую турбину, будет выше, чем когда газы охлаждаются с применением глубокого или испарительного охлаждения. Это происходит действительно так в условиях высокой температуры окружающей среды, поскольку интервал температур охлаждения в соответствии с настоящим изобретением приводит к увеличению температуры отходящих газов, оставляющих газовую турбину, до по существу такого же уровня, когда охлаждение не применяют.
Также энергетическая установка с комбинированным циклом в соответствии с настоящим изобретением должна работать так, чтобы генерирование пара за счет извлечения тепла из установки происходило по существу при постоянных условиях (особенно расход объема) вопреки изменению условий окружающей среды. Это может достигаться полностью посредством регулирования уровня охлаждения охладителем так, чтобы поддерживалась по существу постоянная температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя независимо от условий окружающей среды. Такая работа позволяет оптимизировать конструкцию энергетической установки с комбинированным циклом (HRSC) до по существу единой точки так, чтобы работа энергетической установки была близкой к ее расчетному уровню при всех условиях окружающей среды.
Для сравнения обычная электростанция с комбинированным циклом предназначена для работы в пределах установленных условий (включая, например, 30% колебаний в потоке массы воздуха). Следовательно, генерирование пара за счет извлечения тепла (HRSC) на обычных электростанциях с комбинированным циклом является такиv, что вероятно учитываются все условия, которые должны выполняться во время работы, в результате это оказывает влияние на размер и оптимизацию установки. Таким образом, обычные электростанции с комбинированным циклом обычно будут работать в условиях, отклоняющихся от проектной величины в течение большей части года. Если создать энергетическую установку с комбинированным циклом в соответствии с настоящим изобретением, то она будет работать при оптимальных условиях в течение всего года, в результате будет достигаться экономия на 10% капитальных затрат на проектирование и создание станции за счет уменьшения размера системы генерирования пара из извлекаемого тепла (HRSC) и дополнительная экономия за счет работы, а также повышения эффективности.
Кроме того, система газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением должна работать по существу при постоянных условиях (особенно расход объема) вопреки изменениям условий окружающей среды, это может полностью достигаться посредством регулирования уровня охлаждения, осуществляемого охладителем так, чтобы температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя поддерживалась по существу постоянной независимо от условий окружающей среды. Такая работа позволяет системе газовой турбины работать в точке, по существу близкой к расчетным условиям, таким образом, работа электростанции будет близкой к ее проектному уровню при всех условиях окружающей среды.
Согласно другому признаку настоящего изобретения газы, оставляющие систему газовой турбины силовой установки, имеющей предварительный компрессор и охладитель, можно использовать для совместного генерирования (т.е. для образования пара для использования в качестве тепла в процессе). В таком случае согласно настоящему изобретению система работает преимущественно при постоянных условиях (особенно расход ее объема) вопреки изменению условий окружающей среды. Это полностью может достигаться посредством регулирования уровня охлаждения, осуществляемого охладителем так, чтобы температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя поддерживалась по существу постоянной независимо от условий окружающей среды. Такая работа имеет особое преимущество в системах совместного генерирования, поскольку тепло является частью промышленного процесса, требующего непрерывную работу при постоянных условиях.
Применение охлаждения после предварительного сжатия в соответствии с настоящим изобретением является более экономически эффективным, чем охлаждение, глубокое охлаждение или испарительное охлаждение. Сравнение охлаждения после предварительного сжатия с глубоким охлаждением (с или без испарительного охлаждения), когда температура окружающей среды равна примерно 35oC, иллюстрирует этот момент. Благодаря охлаждению после предварительного сжатия температура воздуха снижается от примерно 35oC до интервала примерно 5-10oC. Система, применяющая предварительное сжатие воздуха, будет более эффективной и менее дорогостоящей.
Предварительное сжатие и охлаждение в соответствии с настоящим изобретением увеличивает мощность системы примерно на 20-30%. Кроме того, выходная мощность становится нечувствительной к локальным погодным условиям.
Согласно дополнительному признаку настоящего изобретения предварительное сжатие можно использовать вместо нагревателя, который обычно необходим в холодную погоду. В таком случае компрессор для предварительного сжатия будет увеличивать температуру воздуха на входе в верхнюю часть главного компрессора, препятствуя тем самым образованию в нем льда. Обледенение предварительного компрессора можно исключить в соответствии с изобретением, если установить центробежное устройство для удаления капель на входе в предварительный компрессор. Либо вход в предварительный компрессор можно выполнить так, чтобы капли не оказывали значительного влияния на работу предварительного компрессора. Либо или дополнительно часть горячего предварительного сжатия воздуха может рециркулировать для нагрева воздуха, поступающего в предварительный компрессор. Такое устройство более простое, чем рециркуляция воздуха, извлеченного со ступени главного компрессора для предварительного нагрева воздуха, входящего в главный компрессор.
Согласно другому признаку изобретения между предварительным компрессором установлен фильтр для фильтрования воздуха из предварительного компрессора и ввода перепада давления в подаваемый воздух. Предварительный компрессор выполнен и расположен таким образом, что повышение вводимого давления, по крайней мере, больше по величине, чем перепад давления, создаваемый фильтром. Кроме того, охладитель, предусмотренный для охлаждения подаваемого воздуха путем создания перепада температур в нем, можно разместить предпочтительно вверх или вниз по течению от фильтра.
Фильтры, применяемые согласно настоящему изобретению, будут более эффективны и будут иметь продолжительный срок службы, поскольку работают при расчетной скорости потока массы и других расчетных параметрах в течение продолжительного периода времени.
К относительно умеренному перепаду давления, который создается по причине того, что фильтр расположен впереди главного компрессора газовой турбины - элемент, который абсолютно необходим в наземной установке для электростанций, подающих энергию в сеть электропередач, легко приспосабливается компрессор, подобный вентилятору, который прост в работе и обслуживании и требует только небольшого количества энергии для работы. Кроме того, относительно умеренный перепад температур, который создается при охлаждении воздуха в малом объеме, может достигаться без значительных затрат энергии.
Воздух, оставляющий ступень предварительного сжатия, и охладитель в такой конструкции будут находиться по существу при температуре окружающего воздуха и под давлением, которое, по меньшей мере, достаточно высокое, чтобы компенсировать перепад давления в фильтре, связанном с главным компрессором газовой турбины. Общая потребность в энергии для работы может быть легко обеспечена за счет части мощности паровой турбины в энергетической установке с комбинированным циклом, реагирующей, например, на отводящие газы из газовой турбины. В результате всю систему, которая является более эффективной, чем обычная силовая установка с газовой турбиной, можно получить без значительных затрат и сложности силовой установки, а также без ее дополнительного обслуживания.
На фиг. 1 изображена блок-схема, представленная в схематической форме, одного из вариантов исполнения настоящего изобретения, показывающая комбинированный цикл, в котором применяют предварительное сжатие и охлаждение; на фиг. 2 - блок-схема в схематической форме другого варианта исполнения настоящего изобретения, показывающая предварительное сжатие и охлаждение в малом объеме с использованием приводимого извне источника питания; на фиг. 3 - схематическая блок-схема, подобная фиг. 1, но показывающая, что компрессор для предварительного сжатия и охладитель малого объема приводятся в действие паровой турбиной, реагирующей на отходящие газы из газовой турбины; на фиг. 4 - модификация изобретения, показывающая предварительное сжатие и охлаждение на параллельных ступенях; на фиг. 5 показана конструкция охладителя, применяемого согласно настоящему изобретению, который включает в себя регулятор уровня охлаждения, достигаемого охладителем.
Теперь рассмотрим чертежи, на которых показан первый вариант исполнения 100 настоящего изображения, представляющий наземную силовую установку с комбинированным циклом, имеющую главный компрессор 130 для сжатия воздуха, подаваемого в компрессор для получения сжатого воздуха, камеру сгорания 140 для нагрева сжатого воздуха и образования горячих газов и газовую турбину 150, реагирующую на горячие газы, для привода главного компрессора через соединительный вал 160 и для питания нагрузки 170, которая представлена обычно в форме электрического генератора. Турбина 150 образует горячие отходящие газы, которые направляются в котел 180, содержащий воду, которая испаряется в пар отходящими газами, выпускаемыми затем в окружающую атмосферу обычно через глушитель (не показан). Пар направляется в паровую турбину 181, где происходит расширение, производящее работу, которая подается нагрузке 182. Пар, выпускаемый из турбины после завершения работы, конденсирует в конденсаторе 182, образуя конденсат, который возвращается в котел насосом 184 для повторения цикла.
Сжатый воздух для главного компрессора 130 подается предварительным компрессором 110, приводимым двигателем 111. Сжатый воздух, нагретый в процессе сжатия, направляется в охладитель 112, который охлаждает воздух, снижая его температуру примерно до температуры окружающей среды. Охладитель может быть частью механической рефрижераторной системы (не показана), которая обеспечивает хладагент для охладителя. Предпочтительно охлажденный сжатый воздух проходит через фильтр 113 до его подачи в главный компрессор 130. Предпочтителен центробежный фильтр.
Фиг. 2 показывает другой вариант исполнения настоящего изобретения, в котором в позиции 10 обозначена энергетическая установка, содержащая обычную силовую установку 11, для которой устройство 12 осуществляет предварительное сжатие и охлаждение. Силовая установка 11 представляет собой крупномасштабную наземную электростанцию, обычно применяемую для подачи электроэнергии в сеть. Установка 11 содержит главный компрессор 13 для сжатия воздуха, подаваемого в компрессор для получения сжатого воздуха, камеру сгорания 14 для нагрева сжатого воздуха и образования горячих газов и газовую турбину 15, чувствительную к горячим газам, для привода главного компрессора через соединительный вал 16 и для привода нагрузки 17, которая представлена обычно форме электрического генератора. Турбина 15 производит горячие отходящие газы, которые обычно выпускаются в атмосферу через систему глушителя (не показана).
В больших наземных установках, применяемых для выработки энергии, которая передается в сеть электропередач, фильтр 18 является неотъемлемой частью системы подачи воздуха в главный компрессор 13, и он необходим для защиты компрессора от уловленных частиц, которые могут повредить лопатки компрессора. Фильтр 18 создает перепад давления в воздухе, подаваемом в главный компрессор. В результате давление воздуха на входе в компрессор 13 будет ниже давления воздуха на входе в фильтр 18.
Давление, создаваемое предварительным компрессором 20, можно использовать, по меньшей мере, для компенсации перепада давления через фильтр. Устройство 20 содержит воздух, подаваемый в главный компрессор, посредством чего повышаются температура и давление подаваемого воздуха. Термин "подаваемый воздух", как он применяется в этом описании, означает воздух, подаваемый через главный компрессор.
Как показано на фиг. 2, повышение температуры и давления в устройстве для предварительного сжатия обозначено соответственно + delT и + delP. Предварительный компрессор 20 сконструирован и расположен таким образом, что повышение давления, создаваемого этим устройством, по меньшей мере больше, чем перепад давления, создаваемый фильтром 18. Однако в соответствии с настоящим изобретением давление воздуха, подаваемого в главный компрессор 13, будет превышать давление окружающего воздуха.
Между предварительным компрессором 20 и фильтром 18 для входящего воздуха расположен охладитель 21 малого объема, который создает перепад температур примерно - delT в воздухе, подаваемом в компрессор. Конструкция охладителя 21 такова, что температура, создаваемая охладителем, является по существу сравнимой с повышением температуры, вводимым предварительным компрессором 20. Благодаря охладителю температура воздуха, поступающего в главный компрессор 13, обычно по существу близка к температуре окружающей среды.
Вместо приводимого извне электродвигателя для привода предварительного компрессора последний может приводится непосредственно паровой турбиной, работающей на отходящих газах из газовой турбины, например, когда применяют комбинированный цикл, в котором главным продуктом, производимым паровой турбиной, является электрическая энергия. Как показано на фиг. 3, силовая установка 30 содержит устройство 20а для предварительного сжатия и охладитель 21А малого объема, которые подобны соответствующим элементам, показанным на фиг. 1. Однако силовая установка 30 включает в себя паровую турбину с испарителем 32, содержащим воду в качестве рабочей среды, причем паровая турбина чувствительна к отходящим газам из газовой турбины 15 для образования пара. Пар направляется в турбину 33 по трубопроводу 34, турбина реагирует на пар, вырабатывая энергию, и также приводит непосредственно предварительный компрессор 20А через вал 35, который непосредственно соединяет турбину с предварительным компрессором. Расширение пара в турбине 33 производит работу, которая также управляет предварительным компрессором 20А с использованием пара, выходящего из турбины через выхлопной патрубок, после завершения работы. Кроме того, как показано, охладитель 21А может приводиться турбиной 33.
Пар, выходящий из турбины, через выхлопной патрубок 36, конденсирует в конденсаторе 37, производя конденсат, который направляется по трубопроводу 38 в насос 39, возвращающий конденсат в испаритель, таким образом, цикл рабочей среды завершается. Конденсатор 37 является предпочтительно воздухоохлаждаемым, при этом любые необходимые вентиляторы (не показаны) приводятся обычно наружными двигателями. В результате непосредственного привода предварительного компрессора 20А, а также охладителя 21А турбиной 33 с использованием вала 35 уменьшается размер генератора (показан на фиг. 3 в виде нагрузки 22), связанного с турбиной, и уменьшаются его потери.
Во время работы окружающий воздух затягивается в предварительный компрессор 20А, который повышает температуру и давление. Воздух, оставляющий предварительный компрессор 20А, проходит в охладитель 21А малого объема, который создает перепад температур, обычно по существу близкий к повышению температуры предварительным компрессором 20А. Затем воздух проходит в фильтрующее устройство 18, которое создает перепад давления. В результате температура воздуха, подаваемого в главный компрессор 13, обычно будет по существу приближаться к температуре охлаждающей среды, а давление будет слегка выше атмосферного давления. Главный компрессор сжимает этот воздух, подает его в камеру сгорания 14, в которой воздух нагревается в результате горения топлива, и подается в турбину 15, которая приводит нагрузку 17. Отходящие газы из турбины обычно направляются в паровую турбину 31, таким образом, турбина 33 вырабатывает энергию и также приводит в действие предварительный компрессор 20А и охладитель 21А. Либо часть электрической энергии, вырабатываемой турбиной 33, может использоваться для обычной рефрижераторной системы, которая поставляет хладагент для охладителя 21А.
Вариант 40 исполнения настоящего изобретения, показанный на фиг. 4, подобен варианту, представленному на фиг. 2, за исключением того, что предварительное сжатие и охлаждение в малом объеме проводят параллельно в отдельных установках. Для этой цели устройство для предварительного сжатия выполнено в форме отдельных предварительных компрессоров 41, 42, 43, которые подают окружающий воздух параллельно в фильтрующее устройство 18А, также включающее в себя множество отдельных фильтров 45, 46, 47, которые соответственно соединены с отдельными компрессорами. В этом варианте исполнения охладитель 21А малого объема включает в себя отдельные охладители 48, 49, 50, которые соответственно соединены с отдельными компрессорами. Преимуществом конструкции, показанной на фиг. 4, является то, что различные воздушные фильтры и предварительные компрессоры, а также охладители малого объема могут работать отдельно в автономном или неавтономном режиме без оказания влияния на работу силовой установки 11А. Дополнительным преимуществом такой конструкции является то, что упрощается конструкция, в которой фильтр для всей силовой установки является большой и дорогостоящей деталью оборудования.
Также в соответствии с настоящим изобретением можно применять вариант исполнения, показанный на фиг. 4, таким образом, силовая установка с комбинированным циклом может быть включена подобным образом, как та, которая показана и описана со ссылкой на фиг. 1 и 3.
В соответствии с настоящим изобретением применяемое предварительное сжатие обеспечивает перепад давления примерно 1,15, а охлаждение осуществляют для уменьшения температуры предварительно сжатого воздуха до примерно температуры окружающего воздуха. Напротив, во время испарительного и/или глубокого охлаждения температура воздуха уменьшается до уровня, который значительно ниже температуры окружающей среды.
В условиях относительно высокой влажности особое преимущество имеет система, применяющая предварительный компрессор и охладитель в соответствии с описанными вариантами исполнения настоящего изобретения. В соответствии с настоящим изобретением осушение очень влажного воздуха не требуется, причем в действительности коэффициент эффективности улучшается в условиях влажности. Напротив, в известных системах, применяющих испарительные охладители, нагрузка от охлаждения может увеличиваться в три раза в условиях влажности, если только не проводят сначала сушку воздуха.
В условиях влажности, т.е. когда относительная влажность является сравнительно высокой, охлаждение в соответствии с настоящим изобретением будет уменьшать температуру предварительно сжатого воздуха. Однако, если это экономически эффективно, то воздух будет охлаждаться до температуры, которая слегка ниже температуры окружающей среды. Тем не менее, когда применяют силовую установку с комбинированным циклом, имеющую паровую турбину, необходимо учитывать эффект снижения температуры отходящих газов из газовой турбины на энергию, производимую паровой турбиной. Предпочтительно в тех местах, где относительная влажность достигает примерно 80% или выше и даже приближается к 100%, предварительно сжатый воздух можно охлаждать примерно на 5oC выше температуры окружающей среды, а в тех районах, где относительная влажность находится между 50% и 80%, предварительно сжатый воздух можно охлаждать примерно на 10oC ниже температуры охлаждающей среды в зависимости от экономической эффективности систем.
Кроме того, силовая установка с комбинированным циклом в соответствии с изобретением, показанная и описанная со ссылкой на фиг. 1 и 3, должна работать таким образом, чтобы генерирование пара из извлекаемого из установки тепла (HRSC) происходило по существу при постоянных условиях (особенно расход объема) вопреки изменению условий окружающей среды. Это может достигаться полностью за счет регулирования уровня охлаждения, осуществляемого с охладителем (такое средство показано, например, на фиг. 5), таким образом, чтобы температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя поддерживалась по существу постоянной независимо от условий окружающей среды. Такая работа позволяет оптимизировать расчет генерирования пара из выделяемого тепла в силовой установке с комбинированным циклом до по существу единой точки так, чтобы работа силовой установки была близкой к расчетному уровню при всех условиях окружающей среды.
Напротив, известная силовая установка с комбинированным циклом предназначена для работы в пределах указанных условий (включая, например, 30% колебаний в потоке массы воздуха). Следовательно, генерирование пара из выделяемого тепла (HRSC) в обычных силовых установках с комбинированным циклом является таким, что необходимо принимать во внимание все условия, которые возможно встретятся во время работы, в результате это оказывает вредный эффект на размер и оптимизацию. Если сконструировать силовую установку с комбинированным циклом в соответствии с настоящим изобретением, то работа будет по существу в оптимальной точке в течение всего года, в результате будет достигаться экономия на 10% капитальных затрат на проектирование и конструирование благодаря уменьшению размера, HRSC, и дополнительная экономия от работы за счет повышения эффективности.
Также система газовой турбины в соответствии с настоящим изобретением должна работать по существу при постоянных условиях (особенно объемный поток массы) вопреки изменению условий окружающей среды. Это может полностью достигаться за счет регулирования уровня охлаждения, осуществляемого охладителем (пример такого средства регулирования показан на фиг. 5) так, чтобы температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя поддерживалась по существу постоянной независимо от условий окружающей среды. Такая работа позволяет системе газовой турбины работать на уровне, по существу близком к расчетным параметрам, таким образом, работа силовой установки будет близка к ее проектному уровню при всех условиях окружающей среды.
Согласно дополнительному признаку настоящего изобретения, как описано со ссылкой на фиг. 1 и 3, отходящие газы из системы газовой турбины силовой установки, имеющей предварительный компрессор и охладитель, можно использовать для одновременного генерирования энергии (т.е. для получения пара для использования в качестве тепла в процессе). В таком случае система в соответствии с настоящим изобретением работает преимущественно по существу при постоянных условиях (особенно расход ее объема) независимо от изменений условий окружающей среды. Это может достигаться полностью посредством регулирования уровня охлаждения, осуществляемого охладителем, чтобы температура предварительно сжатого воздуха на выходе из охладителя поддерживалась по существу постоянной независимо от условий окружающей среды. Такая работа имеет особое преимущество в системах совместного генерирования, поскольку тепло является частью промышленного процесса, требующего непрерывную работу при постоянных условиях.
Когда газовые турбины или электростанции, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, возводят вблизи естественных источников воды, например вблизи моря, реки или озера, либо около охлаждающей башни и ее источника охлаждающей воды воду из такого источника можно использовать в качестве охлаждающей среды в косвенном охладителе газовой турбины для охлаждения предварительно сжатых газов. В таком случае, особенно когда охлаждение заключается в уменьшении температуры предварительно сжатых газов до температуры, близкой к температуре окружающей среды, можно применять простой воздуховодяной косвенный теплообменник с механическим охладителем, поскольку температура источника воды будет ниже температуры окружающего воздуха.
Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения, когда газовая турбина или силовая установка с комбинированным циклом работает в соответствии с настоящим изобретением во влажном месте в условиях охлаждения предварительно сжатых газов до температуры слегка ниже температуры охлаждающей среды, можно использовать воду, образующуюся во время конденсации водяных паров в воздухе при охлаждении предварительно сжатого воздуха, для регулирования содержания окислов азота в отходящих газах путем добавки этой воды в процессе горения, который происходит в камере сгорания в газовой турбине. Это возможно, поскольку образующаяся вода имеет относительно высокий уровень чистоты.
Варианты исполнения настоящего изобретения являются также эффективными в районах с сухим климатом, где конкретные ограничения приводят к тому, что исключается возможность применения охладителей для глубокого охлаждения или испарительных охладителей, например, в том месте, где наличие источников воды ограничено, делая применение испарительных охладителей дорогостоящим, или где источники воды загрязнены. Также в соответствии с настоящим изобретением, поскольку часто охлаждение проводят до температуры, которая выше температуры охлаждающей среды, то воздушные охладители, т.е. теплообменники, применяющие не цикл охлаждения, а вместо этого окружающий воздух в качестве охлаждающей среды, можно использовать в качестве охладителей в описанных вариантах исполнения.
Также согласно дополнительному признаку настоящего изобретения предварительное сжатие, осуществляемое предварительными компрессорами, в описанных вариантах исполнения можно применить вместо нагревателя, необходимого в холодную погоду. Таким образом, компрессор для предварительного сжатия увеличивает температуру воздуха на выходе, уменьшая риск образования льда в главном компрессоре. Возникновение обледенения в предварительном компрессоре по существу исключается в соответствии с настоящим изобретением за счет применения механического центробежного устройства для удаления капель. Либо вход в предварительный компрессор выполняют таким образом, чтобы капли воды не могли оказывать значительного влияния на работу предварительного компрессора. Также или в связи с обоими этими вариантами часть горячего, предварительного сжатого воздуха может рециркулировать для нагрева воздуха, поступающего в предварительный компрессор. Такое устройство более простое, чем рециркуляция воздуха, извлеченного со ступени в главном компрессоре, для нагрева воздуха, поступающего в главный компрессор.
Предварительное сжатие до перепада давления 1,15 в сочетании с охлаждением в соответствии с описанными вариантами исполнения настоящего изобретения обеспечивает увеличение пропускной способности до 20% при температуре окружающей среды 35oC. Кроме того, повышенная мощность почти не зависит от погодных условий, таким образом, энергетическая установка, основанная на настоящем изобретении, является экономически эффективной в большинстве промышленных стран, где условия жаркого влажного лета являются нормой.
Преимущества и улучшенные результаты, достигаемые благодаря способу и устройству в соответствии с настоящим изобретением, являются очевидными из описания конкретных исполнений изобретения.
В объеме изобретения возможны различные изменения и модификации, как раскрыто в формуле изобретения.
Способ увеличения энергии, вырабатываемой системой газовой турбины, включает в себя сжатие окружающего воздуха главным компрессором и предварительное сжатие во время жаркой влажной погоды окружающего воздуха выше по потоку от главного компрессора до величины давления не более чем 115% от давления окружающего воздуха. Перед подачей предварительно сжатого воздуха в главный компрессор производят его охлаждение. Сжатый в главном компрессоре воздух нагревают в камере сгорания с образованием горячих газов, расширяющихся далее в газовой турбине, приводящей главный компрессор и нагрузку. Образовавшиеся горячие отходящие газы используют для получения пара, который используют для сопутствующего генерирования или для привода паровой турбины. Такое осуществление способа приводит к увеличению энергии во время жарких, влажных погодных условий. 10 з.п. ф-лы. 5 ил.
| Атлас конструкций и схем | |||
| Газотурбинные установки,/ Под ред | |||
| Шубенко-Шубина Л.А | |||
| - М.: Машиностроение, 1976, с.151, рис.VI-I | |||
| SU, 408587 A, 26.11.77 | |||
| SU, 158752 A, 27.11.63 | |||
| SU, 883537 A, 25.11.81 | |||
| Способ определения резистентности эритроцитов | 1983 |
|
SU1178410A1 |
