ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F02C1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к газотурбинным установкам с подводом тепла при постоянном объеме рабочего тела (пульсирующего типа) с регенерацией тепла уходящих газов, и может быть использовано на тепловых и атомных электростанциях, а также там, где применяется газовая турбина для преобразования тепловой энергии в механическую энергию.

В настоящее время все действующие газотурбинные установки как работающие с подводом тепла при постоянном давлении, так и с подводом тепла при постоянном объеме, работают с компрессором (с процессом предварительного сжатия). Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, которые вызваны двумя причинами, ограничивающими передачу тепла от уходящих газов к воздуху в регенераторе.

Во-первых, потери, вызванные сжатием воздуха в компрессоре. Так как нельзя охладить уходящие газы в регенераторе ниже температуры воздуха на входе в регенератор, то сжимая предварительно воздух в компрессоре и тем самым повышая температуру воздуха на входе в регенератор, ограничивают передачу тепла от газов к воздуху. Это вызывает первую потерю тепла, принципиально не устранимую в циклах с предварительным сжатием рабочего тела.

Во-вторых, причина потерь тепла с уходящими газами вызвана тем, что для передачи тепла в регенераторе q_рег от горячих газов на выхлопе из турбины к холодному воздуху, входящему в регенератор, необходим перепад температур ΔT_рег. Эта потеря тем меньше, чем меньше перепад температур ΔT_рег, и ее можно уменьшить, увеличивая теплопередающую поверхность регенератора и тем самым снижая ΔT_рег в соответствии со следующей формулой:

где q_peг - тепло, переданное в регенераторе от газов к воздуху; k - коэффициент теплопередачи; F - теплопередающая поверхность от газов к воздуху в регенераторе; теплоперепад в регенераторе между газом и воздухом.

Более глубокое охлаждение газов можно осуществить только в противотоке между охлаждаемыми газами и подогреваемым воздухом.

Известен термический регенератор с переменной циркуляцией для газовых турбин, состоящий из матрицы или элемента термического аккумулятора, представляющего собой поршень, перемещающийся взад-вперед в цилиндре, установленном в корпусе. Цилиндр состоит из первой пары отверстий подвода и вывода, к которым подсоединена матрица в соответствии с первой позицией в цилиндре, и второй пары отверстий подвода и вывода, к которым она подсоединена в соответствии со второй позицией в цилиндре. Расположение отверстий таково, что струя горячего газа, проходящая через одну из этих пар отверстий, и другая струя холодного газа, проходящая через другую пару отверстий, пересекая попеременно матрицу, для одной, когда она занимает первую позицию, и для другой, когда она занимает вторую позицию, механизмы позволяют матрице двигаться взад-вперед в цилиндре. Корпус содержит в себе серию цилиндров, каждый из которых имеет матрицу. Цилиндры располагаются параллельно и размещаются на круге в корпусе. Каждая матрица состоит из полого корпуса, образующего поршень, заполненный огнеупорным материалом, который содержит отверстия, взаимодействующие с отверстиями подвода и вывода соответствующего цилиндра (см. заявку Франции 2208051, МПК F 02 C 7/08, 1973).

В известной установке в форме цилиндра с поршнем изготовлен подогреватель воздуха регенеративного типа, широко используемый в котлостроении, играющий роль аккумулятора тепла. Известная установка работает с процессом предварительного сжатия и без нагнетательного устройства (компрессора) работать не может, так как необходима периодическая продувка секций регенератора и камеры сгорания свежим воздухом для горения. Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, снижению КПД и экономичности установки. Кроме того, по мере нагрева материала матрицы снижается эффективность теплосъема от горячих газов, что также снижает эффект регенерации и КПД.

Известна газотурбинная установка, содержащая турбину, компрессор, подключенный посредством трубопровода и магистрали с установленным на ней регенератором к камере сгорания, имеющей зоны подачи воздуха для горения и смешения. При этом камера сгорания снабжена перегородкой, разделяющей зоны подвода воздуха для горения и смешения, с установленными на ней штуцерами для подсоединения трубопровода и магистрали, первый из которых подключен к зоне подвода воздуха для горения, а второй - к зоне подвода воздуха для смешения. Перегородка выполнена составной, состоящей из взаимно сопряженных вдвигаемых одна в другую деталей (см. авт. свид. СССР 1809139, МПК F 02 C 3/22, опубл. 15.04.1993 г., бюл. 14).

К недостаткам этой установки относятся невысокий КПД и низкая экономичность из-за наличия компрессора и увеличенного в связи с этим количества тепла, передаваемого в теплообменных аппаратах окружающей среде.

Известна также газотурбинная установка с подогревом воздуха в регенераторе при постоянном объеме (пульсирующего типа), содержащая камеру сгорания, силовую турбину, турбину привода компрессора, секционный рекуператор, золотник на входе сжатого воздуха в секцию рекуператора, золотник на выходе подогретого воздуха из секции рекуператора, перегородки, установленные между секциями рекуператора, разделяющие рекуператор на секции (см. авт. свид. СССР 1719684 А1, МПК F 02 С 7/08, 5/00, опубл. 15.03.92 г., бюл. 10).

Недостатками известной установки также являются невысокий КПД и низкая экономичность, во-первых, из-за наличия компрессора, необходимого для периодической продувки секций регенератора и камеры сгорания свежим воздухом для горения, и, во-вторых, из-за увеличенного количества тепла, передаваемого в теплообменных аппаратах окружающей среде, так как дымовые газы омывают покоящийся объем воздуха (неподвижные секции), а по мере нагрева воздуха в неподвижной секции регенератора процесс передачи тепла сокращается и секцию покидают уже мало охлажденные газы, несущие с собой большие потери вне зависимости от величины теплопередающей поверхности секций регенератора.

Наиболее близкой к предлагаемой по совокупности признаков является газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном патрубке которой установлен регенератор, сообщенный с камерой сгорания. Регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая, например конвейерная, линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения нагретого рабочего тела на выхлопе из турбины. Капсулы, с обеих сторон которых размещены запорные устройства, выполнены в виде цилиндров с поршнями для зарядки капсул свежей порцией воздуха. Конвейерная линия снабжена механизмом доставки капсул к камере сгорания. Камера сгорания выполнена в виде цилиндрической обечайки с вложенной в нее капсулой и снабжена механизмом перемещения поршня внутри капсулы для зарядки последней свежей порцией воздуха. В известной установке предусмотрен вариант размещения камеры сгорания на выхлопе турбины перед регенератором, при этом используется камера сгорания постоянного горения (см. патент РФ 2154181, МПК F 02 C 7/08, 5/12, опубл. 10.08.2000 г., бюл. 22).

Известная установка работает без компрессора, поэтому потери тепла, ограничивающие регенерацию и вызванные сжатием воздуха в компрессоре, отсутствуют. Однако для устранения повышенных потерь тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, вызванных ΔT_рег, необходима значительная теплопередающая поверхность регенератора. Конструктивно это осуществить затруднительно, что не позволяет достичь полной регенерации тепла в цикле. Это снижает экономичность установки и термический КПД.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД и экономичности установки за счет полной регенерации тепла уходящих газов.

Для решения указанной задачи в газотурбинную установку, содержащую турбину, на выхлопном патрубке которой установлены камера сгорания и регенератор, при этом регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания, согласно изобретению дополнительно введен вспомогательный регенеративный контур, содержащий теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора, причем камера сгорания расположена на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя, при этом первый вход теплообменника-охладителя рабочего тела турбины соединен с первым выходом охлажденного рабочего тела регенератора, первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй вход теплообменника-охладителя соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины, второй выход теплообменника-охладителя соединен с всасывающим патрубком компрессора вспомогательной турбины, нагнетательный патрубок компрессора вспомогательной турбины соединен со вторым входом теплообменника-подогревателя, второй выход теплообменника-подогревателя соединен с входным патрубком вспомогательной турбины, первый вход теплообменника-подогревателя соединен с выхлопным патрубком турбины, первый выход теплообменника-подогревателя соединен с входом в камеру сгорания, а выход камеры сгорания соединен с первым входом регенератора, причем первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй выход регенератора соединен с входным патрубком турбины.

В качестве камеры сгорания может быть использована камера сгорания постоянного горения органического топлива, или теплообменник от ядерного реактора, или теплообменник от геотермального или любого другого источника тепла, имеющего температуру выше расчетной температуры рабочего тела.

Введение вспомогательного регенеративного контура, содержащего теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора, позволяет газотурбинной установке пульсирующего типа, работающей по замкнутому циклу, осуществить подогрев рабочего тела перед входом в турбину в регенераторе, например конвейерного типа, в капсулах, последовательно расположенных на конвейере. При этом вспомогательный регенеративный контур работает по принципу теплового насоса, передающего тепло, остающееся у рабочего тела после охлаждения в регенераторе, к рабочему телу на выходе из турбины.

Расположение камеры сгорания на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя позволяет рабочему телу нагреваться до расчетной температуры перед турбиной в камере сгорания, выполненной, например, в виде камеры сгорания постоянного горения органического топлива, или теплообменника от ядерного реактора, или теплообменника от геотермального или любого другого источника тепла, имеющего температуру выше расчетной температуры рабочего тела.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная технологическая схема газотурбинной установки; на фиг.2 изображен графически термодинамический цикл в T-S диаграмме газотурбинной установки пульсирующего типа с вспомогательным регенеративным контуром. Чертежи имеют следующие цифровые позиции: 1 - турбина; 2 - регенератор; 3 - камера сгорания; 4 - теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины; 5 - теплообменник-охладитель рабочего тела турбины; 6 - вспомогательная турбина; 7 - компрессор вспомогательной турбины 6; 8 - электродвигатель привода компрессора 7; 9 - первый вход теплообменника-охладителя 5; 10 - первый выход охлажденного рабочего тела регенератора 2; 11 - первый выход теплообменника-охладителя 5; 12 - второй вход регенератора 2; 13 - второй вход теплообменника-охладителя 5; 14 - второй выход теплообменника-охладителя 5; 15 - второй вход теплообменника-подогревателя 4; 16 - второй выход теплообменника-подогревателя 4; 17 - первый вход теплообменника-подогревателя 4; 18 - первый выход теплообменника-подогревателя 4; 19 - первый вход регенератора 2; 20 - второй выход регенератора 2.

Газотурбинная установка содержит главный и вспомогательный регенеративные контуры. Главный контур содержит турбину 1, регенератор 2, камеру сгорания 3, теплообменник-подогреватель 4 рабочего тела турбины и теплообменник-охладитель 5 рабочего тела турбины (см. фиг.1, толстой сплошной линией и стрелками обозначено направление движения рабочего тела в главном контуре). Вспомогательный контур содержит теплообменник-охладитель 5 рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель 4 рабочего тела турбины, вспомогательную турбину 6, компрессор 7 вспомогательной турбины и электродвигатель 8 привода компрессора (фиг. 1, тонкой сплошной линией совместно с пунктирной линией и стрелками обозначено направление движения рабочего тела во вспомогательном контуре).

Камера сгорания 3, в качестве которой может быть использована камера сгорания постоянного горения органического топлива, или противоточный теплообменник типа труба в трубе атомного реактора, или противоточный теплообменник типа труба в трубе геотермального или любого другого источника тепла, имеющего температуру выше расчетной температуры рабочего тела, расположена на выхлопном патрубке из турбины 1 после теплообменника-подогревателя 4.

Регенератор 2 выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, например конвейерного типа (не показано), перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания 3, и расположен на выхлопном патрубке турбины 1 после камеры сгорания 3.

Первый вход 9 теплообменника-охладителя 5 соединен с первым выходом 10 охлажденного рабочего тела регенератора 2, а первый выход 11 теплообменника-охладителя 5 соединен со вторым входом 12 регенератора 2. Второй вход 13 теплообменника-охладителя 5 соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины 6. Второй выход 14 теплообменника-охладителя 5 соединен с всасывающим патрубком компрессора 7, а нагнетательный патрубок компрессора 7 соединен со вторым входом 15 теплообменника-подогревателя 4. Второй выход 16 теплообменника-подогревателя 4 соединен с входным патрубком вспомогательной турбины 6, первый вход 17 теплообменника-подогревателя 4 соединен с выхлопным патрубком турбины 1. Первый выход 18 теплообменника-подогревателя 4 соединен с входом в камеру сгорания 3, а выход камеры сгорания 3 соединен с первым входом 19 регенератора 2. Причем первый выход 11 теплообменника-охладителя 5 соединен со вторым входом 12 регенератора 2, а второй выход 20 регенератора 2 соединен с входным патрубком турбины 1 (фиг.1).

Вспомогательный регенеративный контур работает по принципу теплового насоса, т.е. холодильной установки, с помощью которой можно передавать тепло от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой. Схемы и циклы тепловых насосов известны (см., например, Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985, с.138-146 или Сушкин И.Н. Теплотехника. - М.: Металлургия, 1973, с.127-129).

Цикл 1-->2-->3-->5-->1 (фиг.2) - это термодинамический цикл газотурбинной установки с регенератором, например конвейерного типа, цикл 7-->8-->9-->10-->7 - это термодинамический цикл вспомогательного регенеративного контура, ΔT-2 - перепад температур в регенераторе 2, ΔТ-4 - перепад температур в теплообменнике-подогревателе 4, ΔТ-5 - перепад температур в теплообменнике-охладителе 5 (фиг.1).

Газотурбинная установка работает следующим образом.

Рабочее тело (воздух, гелий и т.п.), находящееся в объеме капсул, установленных последовательно на технологической, например конвейерной, линии регенератора 2 (фиг.1), нагревается противоточно движущимся и омывающим капсулы рабочим телом, нагретым в камере сгорания 3 (фиг.1), где рабочему телу главного контура передается тепло q₁ (фиг.1) от внешнего источника тепла. При этом рабочее тело, находящееся в капсулах на технологической линии регенератора 2, нагревается при постоянном объеме в процессе 1-2 (фиг.2) с повышением давления (ΔP=P₂-P₁=P₂-P₃), а нагретое рабочее тело, поступающее после камеры сгорания 3 (фиг.1) в регенератор 2 (фиг.1), охлаждается в процессе 5-6 (фиг.2), противоточно омывая капсулы на конвейере.

Далее капсулы с нагретым рабочим телом механическим способом доставляются из регенератора 2 к турбине 1 (фиг.1). Рабочее тело, находящееся в капсулах, срабатывает в турбине пульсирующего типа 1, давление и теплоперепад в процессе 2-3 (фиг.2). Рабочее тело на выходе из турбины 1 нагревается противоточно в теплообменнике-подогревателе 4, в котором рабочему телу передается тепло. При этом рабочее тело газотурбинного цикла нагревается в процессе 3-4 (фиг. 2), а рабочее тело цикла вспомогательного регенеративного контура противоточно охлаждается в теплообменнике-подогревателе 4 (фиг.1) в процессе 9-10 (фиг.2).

Затем рабочее тело газотурбинного цикла поступает в камеру сгорания 3 (фиг.1) и нагревается в процессе 4-5 (фиг.2) до расчетной температуры. После этого рабочее тело газотурбинного цикла поступает в регенератор 2 (фиг.1), в котором, противоточно двигаясь перемещающимся на конвейере капсулам, передает им тепло в процессе 5-6 (фиг.2). При этом рабочее тело в капсулах нагревается до рабочей температуры в процессе 1-2 (фиг.2) и получает повышение давления ΔP= P₂-P₁= P₂-P₃. Именно этот перепад давления вызывает циркуляцию рабочего тела в главном контуре и является источником получения в предлагаемой ГТУ полезной работы, часть которой используется для привода компрессора 6 (фиг.1) вспомогательного регенеративного контура.

Далее рабочее тело газотурбинного цикла поступает в противоточный теплообменник-охладитель 5 (фиг.1), где отдает остатки тепла вспомогательному регенеративному контуру в процессе 6-1 (фиг.2). Цикл газотурбинного рабочего тела замкнулся.

В теплообменнике-охладителе 5 (фиг.1) тепло от рабочего тела газотурбинного цикла (в процессе 6-1 (фиг.2)) передается противоточно рабочему телу цикла вспомогательного регенеративного контура в процессе 7-8 (фиг.2). Перед поступлением в теплообменник-охладитель 5 (фиг.1) рабочее тело цикла вспомогательного регенеративного контура расширилось во вспомогательной турбине 6 (фиг. 1) в процессе 10-7 (фиг.2). В результате температура рабочего тела вспомогательного регенеративного контура снизилась до точки 7 (фиг.2), ниже температуры рабочего тела газотурбинного цикла в точке 1 (фиг.2). Охлажденное в теплообменнике-охладителе 5 (фиг.1) рабочее тело газотурбинного цикла с температурой точки 1 (фиг.2) поступает для зарядки капсул, отработавших в турбине 1 (фиг.1) и направляющихся для подогрева в регенератор 2 (фиг. 1). Нагретое рабочее тело вспомогательного регенеративного контура в теплообменнике-охладителе 5 (фиг.1) в процессе 7-8 (фиг.2) до точки 8 (фиг. 2) сжимается в компрессоре 7 (фиг.1) в процессе 8-9 (фиг.2) и затем направляется в теплообменник-подогреватель 4 (фиг.1), где в противотоке передает тепло рабочему телу газотурбинного цикла. Цикл рабочего тела вспомогательного регенеративного контура замкнулся.

Для снятия пульсации рабочего тела в теплообменниках 4, 3, 2, 5 (фиг.1) желательно использование в схеме нескольких турбин пульсирующего типа, работающих на общий выхлоп. А установка в головной части каждой турбины нескольких капсул с рабочим телом, срабатывающих последовательно, позволит практически полностью снять пульсацию рабочего тела. Совокупность этих мер позволит использовать в схеме турбины пульсирующего типа камеру сгорания постоянного горения.

Газотурбинная установка работает по схеме замкнутого (закрытого) типа. Кроме воздуха можно использовать любое другое рабочее тело, например гелий, коэффициент теплоотдачи которого в 2-2,5 раза выше, чем у воздуха.

Используя известные методы интенсификации теплопередачи и изготавливая поверхности нагрева регенератора достаточно большими, можно добиться значительного снижения температуры рабочего тела на выходе из газотурбинной установки. Однако, если в газотурбинной установке, принятой в качестве прототипа, для полной регенерации тепла газотурбинного цикла необходимо изготовить поверхность теплообмена регенератора бесконечно большой, что конструктивно не реализуемо, то применение в схеме предлагаемой газотурбинной установки вспомогательного регенеративного контура позволяет достигнуть, с одной стороны, приемлемых размеров поверхностей теплообмена регенератора, а с другой, - осуществить полную регенерацию и полностью исключить передачу тепла из цикла окружающей среде.

Газотурбинная установка содержит турбину, на выхлопном патрубке которой установлены камера сгорания и регенератор. При этом регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания. В газотурбинную установку дополнительно введен вспомогательный регенеративный контур, содержащий теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора. Камера сгорания расположена на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя. При этом первый вход теплообменника-охладителя соединен с первым выходом охлажденного рабочего тела регенератора. Первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора. Второй вход теплообменника-охладителя соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины. Второй выход теплообменника-охладителя соединен с всасывающим патрубком компрессора вспомогательной турбины. Нагнетательный патрубок компрессора соединен со вторым входом теплообменника-подогревателя. Второй выход теплообменника-подогревателя соединен с входным патрубком вспомогательной турбины. Первый вход теплообменника-подогревателя соединен с выхлопным патрубком турбины. Первый выход теплообменника-подогревателя соединен с входом в камеру сгорания. Выход камеры сгорания соединен с первым входом регенератора. Первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора. Второй выход регенератора соединен с входным патрубком турбины. Изобретение приводит к повышению КПД и экономичности установки за счет полной регенерации тепла уходящих газов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая турбину, на выхлопном патрубке которой установлены камера сгорания и регенератор, при этом регенератор выполнен в виде корпуса, внутри которого расположена технологическая линия, перемещающая последовательно установленные на ней капсулы с подогреваемым рабочим телом против течения предварительно подогретого рабочего тела в камере сгорания, отличающаяся тем, что дополнительно введен вспомогательный регенеративный контур, содержащий теплообменник-охладитель рабочего тела турбины, теплообменник-подогреватель рабочего тела турбины, вспомогательную турбину, компрессор вспомогательной турбины и двигатель привода компрессора, причем камера сгорания расположена на выхлопном патрубке из турбины после теплообменника-подогревателя, при этом первый вход теплообменника-охладителя рабочего тела турбины соединен с первым выходом охлажденного рабочего тела регенератора, первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй вход теплообменника-охладителя соединен с выхлопным патрубком вспомогательной турбины, второй выход теплообменника-охладителя соединен с всасывающим патрубком компрессора вспомогательной турбины, нагнетательный патрубок компрессора вспомогательной турбины соединен со вторым входом теплообменника-подогревателя, второй выход теплообменника-подогревателя соединен с входным патрубком вспомогательной турбины, первый вход теплообменника-подогревателя соединен с выхлопным патрубком турбины, первый выход теплообменника-подогревателя соединен с входом в камеру сгорания, а выход камеры сгорания соединен с первым входом регенератора, причем первый выход теплообменника-охладителя соединен со вторым входом регенератора, второй выход регенератора соединен с входным патрубком турбины. 2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве камеры сгорания использована камера сгорания постоянного горения органического топлива. 3. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве камеры сгорания использован теплообменник от ядерного реактора. 4. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве камеры сгорания использован теплообменник от геотермального или любого другого источника тепла, имеющего температуру выше расчетной температуры рабочего тела.