ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА НА ТОПЛИВНОМ ГАЗЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02C3/32 

Изобретение относится к энергетическим газотурбинным установкам (ГТУ), работающим на низкокалорийных газах высокого давления, в том числе сопутствующих нефтяным месторождениям, что является актуальным при утилизации газов промышленного производства и нефтедобычи.

Известны газотурбинные установки /1/, работающие на природном газе. Сравнительно низкий уровень давления природного газа диктует необходимость применения в ГТУ дожимающего топливного компрессора для создания гарантированного обязательного избыточного давления газа на входе в камеру сгорания по отношению к давлению циклового воздуха. Применение дожимающего компрессора увеличивает массу и габариты ГТУ, ее стоимость, снижает экономичность и мощность.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению относится газотурбинная установка, в которую входят последовательно подключенные по ходу рабочего тела компрессор, камера сгорания, турбина /2/. К горелочному устройству камеры сгорания патрубком первичного воздуха из компрессора подводится только часть воздуха, необходимого для процесса сгорания топлива при высокой температуре. Остальной воздух патрубком вторичного воздуха подается в камеру сгорания, постепенно подмешиваясь к продуктам сгорания, снижая их температуру при входе на лопатки турбины.

В данной установке значительная часть мощности турбины расходуется на привод компрессора, расход воздуха через который практически совпадает с расходом газа через турбину. Кроме того, установка имеет недостаточно высокие экологические показатели.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность утилизировать в ГТУ малокалорийные газы высокого давления; повысить суммарную (электрическую и тепловую) мощность ГТУ по сравнению с ГТУ традиционной схемы при той же располагаемой энергии, причем соотношение между мощностями может меняться в зависимости от конкретных потребностей; значительно снизить токсичность продуктов сгорания и, как следствие, улучшить экологическое состояние окружающей среды.

Полученный технический результат достигается тем, что газотурбинная установка (ГТУ), содержащая последовтаельно подключенные по ходу рабочего тела компрессор, камеру сгорания с патрубком подачи вторичного воздуха и патрубок первичного воздуха, турбину, снабжена топливоподающей системой, содержащей последовательно соединенные топливный патрубок, топливный вентиль и эжектор, причем патрубок подачи первичного воздуха связан с эжектором.

Сравнительный анализ заявляемой ГТУ с прототипом позволил выявить в ГТУ новые признаки, заключающиеся в том, что топливоподающее устройство включает в себя эжектор, подключенный патрубком первичного воздуха к атмосфере, а топливным патрубком - к источнику низкокалорийного газа высокого давления. Подсасываемый эжектором воздух (окислитель) и газ интенсивно перемешиваются в камере смешения эжектора перед поступлением в зону горения камеры сгорания, чем обеспечивается малая эмиссия вредных компонентов в продуктах сгорания (меньше 50 мг/нм³).

Такое выполнение топливоподающего устройства и применение его в заявляемой ГТУ позволяет обеспечить указанный технический результат, а заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ имеющейся патентной и научно-технической информации в области энергетических газотурбинных установок не позволил обнаружить заявленной совокупности признаков, изложенных в формуле изобретения, что дает основание сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Необходимо отметить, что вышеуказанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в техническом результате изобретения, а именно: возможность утилизировать в ГТУ малокалорийные газы высокого давления, в том числе сопутствующих нефтяным месторождениям, включением эжектора в топливоподающее устройство камеры сгорания. Заявленная ГТУ с топливоподающим устройством, включающий эжектор, не имеет аналогов и поэтому может квалифицироваться как изобретение.

Заявленная ГТУ соответствует критерию "промышленная применяемость", так как материалы заявки содержат необходимые сведения для реализации установки в производстве. Добыча высоковязкой нефти связана с большими затратами энергии. Залежам высоковязкой нефти сопутствуют, как правило, газовые шапки, состоящие из углеводородных компонентов и азота при давлении 15...20 МПа, температуре 300...310 К, причем состав горючих составляющих низок - 10...20% (остальное - азот). В заявленной ГТУ возможна утилизация этих газов для выработки тепловой и электрической энергии, которые могут быть использованы для нужд нефтепромыслов: производство горячей воды, пара, привод механизмов, для термического воздействия на вязкую нефть (закачка подогретого высокоазотистого газа, воды или пара в пласт). Использование малоценных низкокалорийных газов позволяет сделать добычу высоковязкой нефти рентабельной.

На чертеже представлена ГТУ, общий вид.

ГТУ содержит входное устройство 1 для забора воздуха из атмосферы, которое патрубком первичного воздуха 2 с размещенным на нем воздушным вентилем 3 связано с эжектором 4, в состав которого входит сопло 5, связанное с топливным патрубком 6 с размещенным на нем топливным вентилем 7. Приемная камера 8 эжектора 4 переходит в камеру смешения 9 эжектора 4, которая диффузором 10 эжектора 4 связана с камерой сгорания 11 газотурбинной установки. Входное устройство 1 воздушным патрубком 12 с размещенным на нем воздушным вентилем 13 связано с цикловым компрессором 14, который патрубком вторичного воздуха 15 соединен с камерой сгорания 11 газотурбинной установки. Сборный патрубок 16 присоединен к камере сгорания 11 и газовой турбине 17. Редуктор 18 связывает газовую турбину 17 с электрогенератором 19. При выходе из турбины 17 последовательно размещены теплообменный аппарат 20, теплообменный аппарат 21, выходное устройство 22. Теплообменный аппарат 20 газовым (воздушным) патрубком 23 с размещенным на нем газовым (воздушным) вентилем 24 связан с газовым (воздушным) нагнетателем 25, к которому подсоединен электродвигатель 26. Теплообменный аппарат 21 водяным патрубком 27 с размещенным на нем водяным вентилем 28 связан с водяным насосом 29, к которому подсоединен электродвигатель 30.

ГТУ работает следующим образом. Низкокалорийный газ после очистки и осушки с высоким давлением 0,5...10 МПа через топливный патрубок 6 и топливный вентиль 7 поступает в сопло 5 эжектора 4, где в приемной камере 8 при истечении струи топлива из сопла 5 подсасывается воздух из патрубка первичного воздуха 2, связанного с атмосферой входным устройством 1. Эжектирующий газ и эжектируемый воздух попадают в камеру смешения 9, а затем через диффузор 10 эжектора 4 поступают в камеру сгорания 11. Давление газа при выходе из камеры сгорания 11 составляет 0,1...0,5 МПа. Топливо-гомогенизированная смесь газа и воздуха сгорает в камере сгорания 11, в которую дополнительно поступает воздух через патрубок вторичного воздуха 15 из циклового компрессора 14, который засасывает воздух из атмосферы через входное устройство 1 и воздушный патрубок 12. Воздух, подаваемый по патрубку 15 компрессором 14 в камеру сгорания 11, используется в основном в качестве вторичного для снижения температуры продуктов сгорания до приемлемого уровня. В случае необходимости, если количества подсасываемого эжектором 4 через патрубок 2 первичного воздуха недостаточно для получения оптимального коэффициента избытка воздуха в зоне горения, то к нему добавляется часть воздуха, подаваемого компрессором 14 через патрубок 15 вторичного воздуха.

Вентили 7, 3, 13 регулируют соответственно количество подаваемого топлива, первичного и вторичного воздуха и тем самым регулируют состав топливной смеси, давление и температуру продуктов сгорания за камерой сгорания 11. Продукты сгорания из камеры сгорания 11 поступают через сборный патрубок 16 на лопатки газовой турбины 17, обеспечивая ее работу, которая расходуется на привод компрессора 14 и электрогенератора 19 через редуктор 18. Уходящие из турбины 17 газы достаточно высокой температуры используются в теплообменных аппаратах: для подогрева газа (воздуха) для нужд нефтепромыслов приводимый электродвигателем 26 газовый нагнетатель 25 прокачивает газ (воздух) по газовому (воздушному) патрубку 23 через теплообменный аппарат 20, газовый (воздушный) вентиль 24 регулирует количество подаваемого газа (воздуха) в теплообменный аппарат 20; для подогрева воды приводимый электродвигателем 30 водяной насос 29 прокачивает воду по водяному патрубку 27 через теплообменный аппарат 21, водяной вентиль 28 регулирует количество подаваемой воды. Пройдя через теплообменные аппараты 20 и 21, газ из ГТУ через выходное устройство 22 попадает в атмосферу.

Источники информации:
С. П. Зарицкий. Диагностика газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом. 1987 г., с.92,93.

Газотурбинная установка на топливном газе высокого давления содержит последовательно подключенные по ходу рабочего тела компрессор, камеру сгорания с патрубками подачи соответственно первичного и вторичного воздуха и топливоподающим устройством. Топливоподающее устройство выполнено в виде эжектора с последовательно подключенными приемной камерой, камерой смешения и диффузором, активное сопло эжектора подключено к топливному патрубку с установленным на нем топливным вентилем. Пассивное сопло посредством патрубка подачи первичного воздуха связано с атмосферой. Патрубок подачи первичного воздуха эжектора и воздушный патрубок компрессора снабжены вентилями и подключены к общему воздухозаборнику. Изобретение позволяет утилизировать в газотурбинной установке малокалорийные газы высокого давления, повышает суммарно (электрическую и тепловую) мощность установки и имеет возможность регулировать последнюю. 1 ил.

Газотурбинная установка на топливном газе высокого давления, содержащая последовательно подключенные по ходу рабочего тела компрессор, камеру сгорания с патрубками подачи соответственно первичного и вторичного воздуха и топливоподающим устройством, отличающаяся тем, что топливоподающее устройство выполнено в виде эжектора с последовательно подключенными приемной камерой, камерой смешения и диффузором, активное сопло эжектора подключено к топливному патрубку с установленным на нем топливным вентилем, а пассивное сопло посредством патрубка подачи первичного воздуха связано с атмосферой, при этом патрубок подачи первичного воздуха эжектора и воздушный патрубок компрессора снабжены вентилями и подключены к общему воздухозаборнику.