СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК F02C7/143 F25B11/00 

Изобретение относится к газотурбинным установкам. Может быть использовано при создании наземных установок по получению электроэнергии и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях, особенно при их работе вблизи локальных нефтегазовых месторождений.

Известен способ эффективного использования турбокомпрессорных установок для снижения давления природного газа на газораспределительных станциях (ГРС) взамен редукторов давления клапанного типа. Так, по техническому решению, принятому за аналог и представленному в патенте ФРГ N2833136 МКИ - F 01 K 27/00, 1980 год, турбина природного газа вращает компрессор и электрогенератор, причем тепло закомпрессорного воздуха используется для подогрева природного газа на выходе из турбодетандера. Недостатком аналога является низкий удельный съем электрической энергии с одного килограмма природного газа избыточного давления.

Известен эффективный способ повышения удельного съема электроэнергии при снижении давления природного газа на ГРС, основанный на совмещении работы турбодетандера природного газа при снижении давления природного газа в нем на ГРС и работы газотурбинного двигателя с поддержанием постоянного давления на выходе из турбодетандера, причем работу газотурбинного двигателя осуществляют при его изменяемой мощности, вплоть до ее нулевого значения с поддержанием температуры природного газа на выходе из турбодетандера не ниже 273 К. Этот способ принят за прототип и представлен в патенте РФ по заявке N 94031038 с приоритетом от 23 августа 1994 года.

Однако недостатками способа работы газотурбинной установки по прототипу является низкая ее надежность работы и ее привязанность к ГРС, что приводит к узким пределам применимости.

Изобретение ставит задачи повышения эффективности, надежности и расширения пределов применимости способа работы газотурбинной установки. Поставленные задачи решаются тем, что взамен природного газа используют воздух повышенного давления, который получают от автономного воздушного компрессора и направляют через температуропонижающий теплообменник в турбодетандер и после его прохождения воздух пониженных температуры и давления направляют на вход в воздушный компрессор газотурбинного двигателя.

Таким образом, предлагаемый способ работы газотурбинной установки заключается в совмещении работы турбодетандера и работы газотурбинной установки, причем в турбодетандер направляют воздух повышенного давления от автономного воздушного компрессора через температуропонижающий теплообменник и воздух после прохождения турбодетандера направляют на вход в воздушный компрессор газотурбинной установки.

Заявителю неизвестны технические решения, признаки, схожие с признаками, отличающими заявленное решение от прототипа, что позволяет считать предложенное решение патентоспособным.

Конструктивная схема установки, реализующая предложенный способ работы газотурбинной установки, представлена на чертеже. Она включает газотурбинную установку 1 со входной частью 2 воздушного компрессора и с электрогенератором 3, турбодетандер 4, автономный воздушный компрессор 5, температуропонижающий теплообменник 6, систему 7 подачи природного газа в газотурбинную установку 1, систему 8 потребления тепла.

Работа установки, схематично представленной на чертеже, осуществляется следующим образом. Через систему 7 в установку 1 подается природный газ и осуществляется ее запуск. Одновременно включается в работу автономный воздушный компрессор 5, воздух повышенного давления из которого поступает через теплообменник 6, передающий тепло системе 8, в турбодетандер 4 и затем после него во входную часть 2 воздушного компрессора ГТУ. В компрессоре 5 повышаются давление и температура воздуха, поступающего из окружающей среды. Этот воздух в теплообменнике 6 снижает свою температуру с передачей тепла системе 8 и с повышенным (против атмосферного) давлением поступает в турбодетандер 4. В турбодетандере 4 снижаются давление воздуха и его температура до значения, меньшего температуры окружающей среды. Во входной части 2 охлажденный воздух после турбодетандера 4 смешивается со всасываемым воздухом окружающей среды, в результате чего снижается средняя температура воздуха, поступающего в воздушный компрессор ГТУ, против температуры окружающей среды. Турбодетандер 4 может иметь регулируемый сопловой аппарат, с помощью которого может регулироваться давление и температура воздуха после турбодетандера.

В результате работы установки 1, турбодетандера 4, теплообменника 6 и компрессора 5 вырабатываются механическая работа, воспринимаемая электрогенератором 3, и тепло, воспринимаемое системой 8. Такое взаимодействие основных узлов в представленной на чертеже схеме энергетической установки дает приращение полезного эффекта от работы газотурбинной установки 1 по следующим составляющим:
от снижения температуры воздуха, поступающего во входную часть 2 воздушного компрессора;
от работы турбодетандера 4;
от работы теплообменника 6.

В итоге затраченная мощность (АВК) автономного воздушного компрессора 5, отнесенная к сумме перечисленных составляющих, дает представление о коэффициенте η_кет полезного использования мощности АВК. Результаты проведенных расчетов в диапазоне изменения температуры T_н ^* окружающей среды 293...318 К показали возможность получения величины η_кет на уровне 200 процентов при оптимальной степени повышения давления АВК вблизи 2 при следующих параметрах и условиях работы установки по чертежу:
коэффициент σ восстановления полного давления воздуха в магистрали от АВК до турбодетандера составляет 0,9;
температура воздуха за теплообменником 6 равна температуре T_н ^*;
произведение КПД АВК и турбодетандера равно 0,6;
все тепло закомпрессорного воздуха АВК воспринимается системой 8;
происходит полное смешение воздуха за турбодетандером и всасываемого в воздушный компрессор ГТУ.

Надежность предлагаемого способа против прототипа повышается за счет замены природного газа в турбодетандере на воздух повышенного давления, эффективность его подтверждена расчетом, а расширение пределов применимости - за счет АВК.

Предложенный способ работы газотурбинной установки при использовании в качестве базы передвижной автоматизированной электростанции мощностью 2,5 МВт (ПАЭС-2500) принят к реализации в ЗАО НГТ "Энергия" (г. Славянск на Кубани). Изготовлен и поставлен заказчику опытный образец ПАЭС-2500, совмещенный с турбодетандером. Опытно-промышленные испытания планируется провести в 1998 году.

Изобретение относится к газотурбинным установкам и может быть использовано при создании наземных агрегатов для получения электричества и тепла с высокой эффективностью и при высоких экологических показателях. Турбодетандер 4, совмещенный по валу с газотурбинной установкой (ГТУ), работает на воздухе повышенного давления от автономного воздушного компрессора 5. Охлажденный против атмосферного воздух после турбодетандера 4 направляют на вход 2 воздушного компрессора газотурбинной установки 1. Мощности ГТУ 1 и турбодетандера 4 передаются электрогенератору 3, а тепло воздуха повышенного давления системе 8 через теплообменник 6. Изобретение позволяет повысить эффективность, надежность и расширить пределы применимости газотурбинной установки. 1 ил.

Способ работы газотурбинной установки, заключающийся в совмещении работы турбодетандера и работы газотурбинной установки (ГТУ), направлении в турбодетандер воздуха повышенного давления от автономного воздушного компрессора через температуропонижающий теплообменник и в направлении воздуха после прохождения турбодетандера на вход в воздушный компрессор ГТУ, отличающийся тем, что регулирование температуры и давления воздуха осуществляют с использованием регулируемого соплового аппарата и направленный после турбодетандера воздух смешивают с воздухом, всасываемым в воздушный компрессор ГТУ.