СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОПАРОВОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2001 года по МПК F02C6/18 

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к способам работы и конструкции энергетических газотурбинных (ГТУ) и газопаровых установок (ГПУ).

Известен способ работы ГПУ, включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела, подогрева сжатого рабочего тела сжиганием топлива, расширения подогретого рабочего тела, утилизации остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара и подвода полученного пара в газовый тракт перед сжиганием топлива (см. , например, Батенин В.М. и др. "Парогазовая установка с вводом пара в газовую турбину - перспективное направление развития энергетических установок", "Теплоэнергетика", 1993 г., N 10, стр.46-52).

Известен также способ работы ГТУ, в котором рабочий процесс осуществляется в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с разнотемпературными выхлопными потоками, выводимыми в общую утилизационную систему, в которой генерируется водяной пар, подводимый в один из газовых трактов перед сжиганием топлива (см. заявку РФ N 93 009679/06/008853).

Недостатком указанного способа работы ГТУ является большой безвозвратный расход обессоленной воды, в 5-7 раз превышающий расход топлива. Поскольку расход воды в известных ГТУ с подводом пара в проточную часть не превышает 15-20%, извлечение ее из продуктов сгорания путем конденсации на выхлопе представляет большие трудности, так как при давлении на выхлопе, немного превышающем атмосферное (на величину гидравлических потерь в выхлопном тракте), парциальное давление водяных паров не превышает 0,3 кг/см², потребная температура конденсации составляет 60-70^oC. В то же время известно, что в утилизационных системах ГТУ и в паровых котлах допускают снижение температуры уходящих газов до величины не менее 100^oC, т.к. при более низкой температуре происходит интенсивное загрязнение поверхностей теплообмена.

Целью изобретения является извлечение воды из продуктов сгорания при обеспечении высокой термодинамической эффективности газпаровой энергоустановки с подводом пара в газовый тракт.

Указанная цель достигается тем, что рабочий процесс осуществляется по крайней мере в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с раздельными выхлопами, причем весь пар, генерируемый за счет утилизации остаточного тепла расширившегося рабочего тела, или наибольшая его часть подводится в один из газовых трактов, в котором создается соотношение компонентов с повышенным содержанием водяного пара, и в этом тракте производится конденсация водяного пара.

Как показывают результаты анализа, при использовании данного предложения температура конденсации пара может быть поднята до 100^oC и выше при сохранении высокой термодинамической эффективности энергоустановки и обеспечена высокая степень конденсации вплоть до полного возврата воды. Так, например, при массовом расходе водяного пара, превышающем расход воздуха в три раза, и противодавлении на выхлопе 1,2 кг/см² абс. парциальное давление пара сравнивается с атмосферным и температура конденсации составляет 100^oC. Кроме того, улучшаются условия полезного использования тепла, выделяющегося при конденсации при более высокой температуре, например, для отопительных систем или для генерации пара в совмещенной паросиловой установке низкого давления.

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном предложении, что свидетельствует о его соответствии критерию "существенные отличия".

Схемы ГПУ, реализующих указанный способ работы, представлены на фиг. 1-9.

Рассмотрим схему ГПУ, представленную на фиг. 1. ГПУ состоит из двух кинематически независимых двигателей, каждый из которых включает компрессоры 1 и 9, камеры сгорания 2, 4 и 10, турбины 3, 5 и 11, потребители мощности 6 и 12, парогенераторы-утилизаторы остаточного тепла выхлопных газов 7 и 8, сообщенные по выходу пара с газовым трактом одного из двигателей перед камерой сгорания 10, и размещенный на выхлопе этого двигателя конденсатор 13.

Работа ГТУ осуществляется следующим образом. Компрессоры обоих двигателей 1 и 9 всасывают воздух, сжимают его и подают в камеры сгорания 2 и 10, а продукты сгорания расширяются в турбинах 3, 5 и 11. Получаемая при расширении избыточная мощность передается потребителям 6 и 12. На выхлопе турбин 5 и 11 размещены парогенераторы 7 и 8, испаряющие подаваемую в них воду за счет утилизации остаточного тепла выхлопных потоков, а полученный пар подводится в поток сжатого воздуха перед камерой сгорания 10. При этом концентрация пара в выхлопном потоке турбины 11 получается повышенной, превышает среднюю величину относительной доли пара для общего расхода компонентов всей установки в целом. Для увеличения расхода генерируемого пара между турбинами 3 и 5 размещена дополнительная камера сгорания 4. На выходе из парогенератора 8 размещен конденсатор 13, в котором благодаря высокой концентрации водяного пара и небольшого подпора на выходе конденсация происходит при парциальном давлении водяного пара, близком к атмосферному, и температуре, соответственно, близкой к 100^oC.

Эффективность энергоустановки тем выше, чем выше температура пара, подаваемого в тракт, поэтому может представляться целесообразным дополнительный перегрев пара, генерируемого в выхлопном потоке с меньшей температурой, в высокотемпературном выхлопном потоке, как показано на фиг. 2.

При большом относительном расходе водяного пара, высокой степени сжатия воздуха и относительно невысокой температуре парогаза, ограничиваемой предельной величиной теплоподвода в камере 10, может оказаться целесообразной генерация пара только в первом газовом выхлопном потоке, как показано на фиг. 3.

ГПТУ может иметь частично объединенный воздушный тракт, как показано на фиг. 4. Разделение на два тракта здесь произведено после сжатия воздуха в компрессоре, так что парогазовый контур с относительно более низкой температурой парогаза передает всю мощность потребителю. При этом полученная в конденсаторе 13 вода через систему нагнетания и очистки 14 может быть возвращена в газовый тракт.

При температуре конденсации около 100^oC становится термодинамически целесообразным совместить с процессом конденсации процесс генерации пара более низкого давления в конденсаторе-парогенераторе 15 совмещенного замкнутого паросилового контура (см. фиг. 5) с паровой турбиной низкого давления 16, приводящей свой потребитель мощности 17, и своим вакуумным конденсатором 18 с обычным для паросиловых установок давлением конденсации 0,03-0,05 кг/см² абс. и своей системой подачи 19. Полученная в таком контуре дополнительная мощность существенно повысит эффективный КПД энергоустановки. При этом газотурбинный контур может иметь компрессоры низкого давления 1 и высокого давления 20 с размещенным между ними теплообменником-охладителем 21.

Разделение воздушных потоков может быть выполнено после частичного сжатия воздуха, за компрессором низкого давления 9, как показано на фиг. 6, а парогазовый тракт включит свой компрессор высокого давления 9.

Паровая турбина низкотемпературного паросилового контура может быть приводом предвключенного компрессора низкого давления 22 с теплообменником-охладителем 23, как показано на фиг. 7. Такое исполнение ГПУ может значительно расширить диапазон регулирования мощности при сохранении высокой эффективности ГПУ.

В некоторых случаях может оказаться необходимым для повышения температуры конденсации пара до 100-110^oC повысить давление конденсации до 1,5-2 кг/см². При этом дальнейшее расширение оставшегося после конденсации газа в размещенной за конденсатором турбине невозможно по указанным выше причинам - загрязнение поверхностей теплообмена. В этом случае целесообразно использовать энергию этого потока для эжектирования другого газового выхлопного потока в эжекторе 24, увеличив тем самым степень расширения и полезную работу турбин газового тракта, как показано на фиг. 8.

Реализация предложенных технических решений позволит повысить эффективный КПД ГТУ с подводом пара в газовый тракт (ГПУ) до максимально достигнутого уровня бинарных парогазовых энергоустановок при существенно большей удельной мощности, меньшей удельном стоимости и меньшем удельном расходе охлаждающей воды для конденсации пара. Кроме того, за счет существенно большего, чем в бинарных газопаровых установках, удельного подвода тепла на килограмм воздуха повышается общий коэффициент использования тепла при работе с отбором тепла на теплофикацию.

Способ работы газопаровой установки включает в себя сжатие газообразного рабочего тела воздуха, подогрев сжатого рабочего тела сжиганием топлива, расширение подогретого рабочего тела, утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара, подвод полученного пара в газовый тракт перед сжиганием топлива, конденсацию пара на выхлопе и извлечение воды из продуктов сгорания. Рабочий процесс осуществляется по крайней мере в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с раздельными выхлопами. Пар генерируют в выхлопном потоке одного газового тракта, а подводят весь пар или наибольшую его часть в другой газовый тракт, в котором создают соотношение компонентов с повышенным содержанием водяного пара. Расход водяного пара превышает расход воздуха. В этом тракте производят подогрев и расширение парогаза с последующей конденсацией пара. Изобретение приводит к повышению эффективного КПД установки. 9 ил.

Способ работы газопаровой установки, включающий сжатие газообразного рабочего тела воздуха, подогрев сжатого рабочего тела сжиганием топлива, расширение подогретого рабочего тела, утилизацию остаточного тепла расширившегося рабочего тела путем генерации водяного пара, подвод полученного пара в газовый тракт перед сжиганием топлива, конденсацию пара на выхлопе и извлечение воды из продуктов сгорания, причем рабочий процесс осуществляется по крайней мере в двух газовых трактах, раздельных или частично объединенных, с раздельными выхлопами, отличающийся тем, что пар генерируют в выхлопном потоке только одного газового тракта, а подводят весь пар или наибольшую его часть в другой газовый тракт, в котором создают соотношение компонентов с повышенным содержанием водяного пара, расход которого превышает расход воздуха, и в этом тракте производят подогрев и расширение парогаза с последующей конденсацией пара.