СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1999 года по МПК F02C6/04 

Изобретение относится к способу работы газотурбинной установки в энергетическом режиме в составе технологического агрегата, в котором осуществляются химические процессы с выделением тепла, утилизируемого для выработки водяного пара и нагрева газов перед газовой турбиной. Может быть использовано в химической, нефтехимической промышленности для эксплуатации газотурбинных установок и котлов-утилизаторов в энергетическом режиме при отключенном технологическом процессе с целью выработки водяного пара, сжатого воздуха и электроэнергии в качестве товарных продуктов.

Известен способ работы одновальной газотурбинной установки, включающей воздушный компрессор для сжатия воздуха, газовую турбину с входной температурой газа 700-705^oC, пусковую камеру сгорания турбины, пусковой электродвигатель-генератор ("мотор-генератор"), в составе технологического агрегата. Основной поток сжатого воздуха направляется в технологический реактор, в котором вследствие экзотермических химических реакций превращения исходного сырья в полупродукты получают реакционные газы с температурой 900-950^oC.

Эти газы охлаждаются в котле-утилизаторе с выработкой водяного пара, затем проходят ряд технологических аппаратов, в них из компонентов реакционных газов получают конечный продукт, а сжатые выхлопные газы направляются в технологический реактор, в котором очищаются перед расширением в газовой турбине и выбросом в атмосферу от вредных примесей на катализаторе при температуре, несколько превышающей допустимую температуру газов на входе в турбину. Она снижается до допустимой при смешении с более холодными топочными газами из камеры сгорания турбины. После расширения в турбине выхлопные газы дополнительно охлаждаются в котле-утилизаторе и выбрасываются в атмосферу.

Пуск газотурбинной установки производится при помощи пускового электродвигателя.

Известен способ работы двухвальной газотурбинной установки, включающей воздушный компрессор с турбиной на одном валу, нагнетатель технологического газа и турбину на втором валу, пусковую паровую турбину. Весь поток сжатого воздуха направляется в технологический реактор; горячие реакционные газы охлаждаются последовательно в котле-утилизаторе, в теплообменнике и поступают на всас нагнетателя. Сжатые в нагнетателе газы направляются на переработку в технологические аппараты, а выхлопные газы после нагрева поступают в технологический реактор для очистки выхлопных газов от вредных примесей, далее поступают на расширение последовательно в обеих турбинах; после расширения выхлопные газы дополнительно охлаждаются в подогревателе, нагревая сжатые выхлопные газы.

Источник сведений об обоих способах - монография "Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности" под редакцией В.М.Олевского, Москва, Химия, 1985 г.

Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона использования подобных газотурбинных установок, а именно, эксплуатация их в энергетическом режиме с выработкой в качестве товарного продукта водяного пара, сжатого воздуха (для ГТУ с пусковым электродвигателем - и электроэнергии) без выработки технологического продукта (например, азотной кислоты), но с использованием части технологического оборудования.

Поставленная задача решается тем, что основной поток сжатого воздуха нагревают в технологическом реакторе смешением с топочными газами, полученными при сжигании топливного газа в специальном горелочном устройстве, горячие газы направляют в котел-утилизатор, в котором продуцируют водяной пар. Водяной пар постоянно выдают как товарный продукт.

Охлажденные в котле-утилизаторе газы повторно нагревают до высокой температуры перед расширением в газовой турбине.

Степень нагрева этих газов перед турбиной регулируют в зависимости от количества сжатого воздуха, выдаваемого на сторону в качестве товарного продукта, который при прекращении выпуска технологического продукта становится избыточным.

Количество выдаваемого на сторону сжатого воздуха может регулироваться в широком диапазоне в зависимости от потребности, в том числе возможна и нулевая выдача (периодическая выдача воздуха).

При снижении выдачи сжатого воздуха (вплоть до нуля) снижается температура газа перед турбиной, т.е. поддерживается более низкой, чем предельная, на которую рассчитана турбина.

Выдача электроэнергии как товарного продукта имеет место при использовании ГТУ, в которой в качестве пускового устройства применяется электродвигатель (мотор-генератор).

Существует обратная связь между количествами выдаваемого на сторону сжатого воздуха и электроэнергии: чем больше выдается воздуха, тем ниже выдача электроэнергии.

При большом потреблении сжатого воздуха газ перед турбиной нагревают до предельной температуры, на которую рассчитана турбина, при необходимости переводят пусковой мотор-генератор в двигательный режим.

См. таблицы в примерах N 1 и 2 осуществления способа.

Специальное горелочное устройство рассчитано на сжигание топлива (в основном природного газа) под давлением, при котором осуществлялся технологический процесс. Преимущественное расположение горелочного устройства в технологическом реакторе, установленном перед котлом-утилизатором, упрощает реконструкцию агрегата.

Нагрев потока воздуха смешением с топочными газами из горелочного устройства как минимум осуществляется до температуры, равной температуре реакционных газов из технологического реактора, когда он эксплуатировался для выпуска технологического продукта.

Согласно изобретению степень нагрева газа может быть и выше при соответствующей реконструкции входной камеры котла-утилизатора, что позволяет увеличить выработку пара.

После котла-утилизатора, вырабатывающего товарный водяной пар, охлажденные газы нагревают в зависимости от выдачи сжатого воздуха до нужной температуры перед подачей на газовую турбину двумя способами.

По одному из способов такой нагрев осуществляется сжиганием топливного газа в камере сгорания турбины и смешением топочных газов с основным потоком газов; при этом в камеру сгорания турбины подается часть сжатого воздуха на сжигание топлива.

По второму способу нагрев осуществляется окислением углеводородных компонентов топливного газа на катализаторе кислородом, содержащимся в самом нагреваемом газе. Используется катализатор, не теряющий активности в окислительной среде.

Преимуществом второго способа является исключение расхода сжатого воздуха на нагрев газа, т.е. можно несколько увеличить расход воздуха по основному потоку, и соответственно выработку пара в котле-утилизаторе при прочих равных условиях (выдаче сжатого воздуха на сторону).

Как уже указывалось выше, количество товарного воздуха может регулироваться в широком диапазоне путем изменения температуры газов на входе в газовую турбину, нагреваемых в камере сгорания турбины или в технологическом реакторе каталитическим окислением топлива, а также нагрузкой пускового электродвигателя (мотор-генератора) или пусковой паровой турбины.

Если ГТУ оснащена пусковым электродвигателем (мотор-генератором), то при прекращении (или уменьшении) выдачи сжатого воздуха на сторону электродвигатель переводится в генераторный режим, при предельной генераторной нагрузке снижается температура газов на входе в газовую турбину. При необходимости увеличения выдачи сжатого воздуха прежде всего доводится до предельно возможной температура газов на входе в газовую турбину, затем снижается генераторная нагрузка электродвигателя; для достижения максимальной выдачи сжатого воздуха на сторону электродвигатель переводится в двигательный режим.

Если ГТУ оснащена пусковой паровой турбиной, то при снижении выдачи воздуха на сторону понижается степень нагрева газов перед газовой турбиной, но настолько, чтобы паровая турбина работала только в вентиляционном режиме, т. е. без потребления пара; если надо увеличить выдачу воздуха, то поднимают температуру газов на входе в газовую турбину, а если она достигла предельно допустимой, то паровую турбину переводят из вентиляционного режима в рабочий, и увеличивая подачу пара вплоть до использования полной мощности пусковой паровой турбины, обеспечивают максимальную выдачу сжатого воздуха в качестве товарного продукта.

Примеры осуществления способа.

Пример 1 (фиг. 1).

Атмосферный воздух в количестве, например, 76 тыс. нм³/ч сжимается в воздушном компрессоре 1 до давления 0,73 МПа.

Основной поток воздуха (42-60 тыс. нм³/ч) направляется в технологический реактор 2 со специально встроенным горелочным устройством, где нагревается за счет смешения с топочными газами, полученными при сжигании природного газа, до 900-1400^oC (в зависимости от конструкции и теплообменной поверхности котла-утилизатора) и поступает в котел 3, в котором продуцируется водяной пар нужных потребителю параметров. Водяной пар постоянно выдается на сторону.

Охлажденные газы далее направляются в камеру сгорания 4, в горелку которой подаются сжатый воздух в количестве 14-16 тыс. нм³/ч и природный газ. Нагретые до 600-700^oC газы поступают в газовую турбину 5, при расширении они охлаждаются до 340-410^oC, далее в котле-утилизаторе 7 до 180-200^oC и выбрасываются в атмосферу; пар из котла-утилизатора 7 выдается также потребителю.

Электродвигатель (мотор-генератор) 6 работает в двигательном режиме при пуске ГТУ и при максимальной выдаче сжатого воздуха на сторону.

Количество сжатого воздуха, выдаваемого на сторону, может регулироваться в широком диапазоне; при этом меняются температура газов на входе в газовую турбину и нагрузка мотор-генератора.

В табл. 1 (табл. 1-3 см. в конце описания) приводятся в качестве примера изменения режимов работы ГТУ (нагрев газа перед турбиной и режим мотор-генератора) в зависимости от количества выдаваемого на сторону воздуха (включая нулевой отбор).

Выработка пара, расход природного газа зависят от указанных переменных режимов и от температуры газов на входе в котел-утилизатор 3.

Например, при температуре газов 900^oC и выдаче воздуха на сторону 16000 нм³/ч суммарная выработка пара составит ≈ 14,2 Гкал/ч, а расход природного газа - 2,75 тыс. нм³/ч; при выдаче на сторону 0 нм³/ч - соответственно ≈ 17,5 Гкал/ч и 3,2 тыс. нм³/ч.

Пример 2, фиг. 2.

Отличается от примера 1 способом нагрева газов перед газовой турбиной 5.

В этом варианте способа нагрев осуществляется в технологическом реакторе 4, который выполняет функцию камеры сгорания, путем каталитического окисления топливного газа кислородом, содержащимся в газах на входе в реактор. Эти газы нагреваются на катализаторе до 700^oC при взаимодействии топлива (природного газа) с кислородом, содержащимся в газе.

Пусковая камера сгорания работает в вентиляционном режиме (показана пунктиром).

В табл. 2 приводятся режимы работы ГТУ в зависимости от количества сжатого воздуха, выдаваемого на сторону (включая нулевой отбор).

Пример 3, фиг. 3.

Этот пример приводится для двухвальной ГТУ со сжатием воздуха в осевом воздушном компрессоре и технологического газа в нагнетателе, расположенных на разных валах (с разным числом оборотов).

Технологический реактор 2 располагается после первой ступени сжатия воздуха в компрессоре 1, в котором он сжимается, например, до 0,40-0,41 МПа.

Как и в примерах 1, 2, в технологический реактор 2 направляется основной поток сжатого воздуха, где нагревается путем смешения с топочными газами, полученными при сжигании природного газа в специально встроенной горелке, до 900-1400^oC. Далее газы охлаждаются в паровом котле 3, в нем продуцируется водяной пар, который постоянно выдается на сторону.

Охлажденные в котле 3 газы сжимаются до, например, 1,0-1,1 МПа в нагнетателе 8; сжатые газы последовательно нагреваются в газовом подогревателе 9 и в выполняющем функцию камеры сгорания технологическом реакторе 4 путем каталитического окисления топливного газа кислородом, содержащимся в нагреваемом газе, до 700-760^oC.

Горячие газы расширяются последовательно в газовых турбинах 5 до атмосферного давления и после дополнительного охлаждения в подогревателе 9 выбрасываются в атмосферу.

Помимо водяного пара товарным продуктом является сжатый воздух с давлением 0,4 и 1,0-1,1 МПа.

Воздух с давлением 0,4 МПа отбирается от воздушного компрессора 1, с давлением 1,0-1,1 МПа - от нагнетателя 8. Отбор воздуха может регулироваться в достаточно широких пределах.

Режим работы ГТУ в зависимости от потребления сжатого воздуха сторонними потребителями (включая нулевой отбор) приведен в таблице 3. Из табл. 3 видно, что по мере увеличения выдачи товарного сжатого воздуха, увеличивается температура газа перед турбиной (вплоть до предельной 760^oC), а при выдаче на сторону 50000 нм³/ч воздуха включается пусковая паровая турбина в рабочий режим.

Способ работы газотурбинной установки относится к химической и нефтехимической промышленности. При работе газотурбинной установки в энергетическом режиме основной поток воздуха нагревают в технологическом реакторе смешением с топочными газами, полученными при сжигании топливного газа в специальном горелочном устройстве. Водяной пар постоянно, а часть сжатого воздуха постоянно или периодически выдаются как товарный продукт наряду с водяным паром, получаемым в котле-утилизаторе, и электроэнергией, получаемой в пусковом электродвигателе, если он входит в состав газотурбинной установки. Изменение количества сжатого воздуха, выдаваемого на сторону как товарный продукт, регулируют изменением степени нагрева ранее охлажденных в котле утилизатора газов перед подачей их в газовую турбину. При достижении предельно допустимой температуры переводят пусковой мотор-генератор из генераторного в двигательный режим или пусковую паровую турбину из вентиляторного режима в рабочий. Такое осуществление способа расширяет диапазон использования газотурбинной установки. 3 ил., 3 табл.

Способ работы газотурбинной установки в составе технологического агрегата, включающей воздушный компрессор, газовую турбину, пусковой электромотор-генератор или пусковую паровую турбину, котел-утилизатор, технологические реакторы, отличающийся тем, что при работе в энергетическом режиме без выработки технологического продукта основной поток сжатого воздуха нагревают в технологическом реакторе смешением с топочными газами, полученными при сжигании топливного газа в специальном горелочном устройстве, водяной пар постоянно, а часть сжатого воздуха и электроэнергия постоянно или периодически выдаются как товарный продукт, причем для изменения количества сжатого воздуха, выдаваемого как товарный продукт, регулируют перед подачей в газовую турбину степень нагрева газов, ранее охлажденных в котле утилизатора, а при достижении предельно допустимой температуры переводят пусковой мотор-генератор из генераторного в двигательный режим или пусковую паровую турбину - из вентиляционного режима в рабочий.