СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2002 года по МПК F02C6/00 

Изобретение относится к многоагрегатным газотурбинным установкам.

Известен способ работы газотурбинной установки (ГТУ), включающий процессы сжатия газообразного рабочего тела (например, воздуха) в компрессоре, подогрев сжатого рабочего тела (например, сжиганием топлива в камере сгорания), расширения подогретого рабочего тела в турбине с получением работы, часть которой расходуется на привод компрессора, а другая часть передается внешнему потребителю мощности (см., например, под ред. А.Г.Костюка и В.В. Фролова "Паровые и газовые турбины", Москва: Энергоиздат, 1985 г., стр. 260, рис. 12.1).

Известен также способ работы ГТУ, в котором процесс расширения подогретого рабочего тела разделен на два этапа и производится в двух кинематически независимых и размещенных последовательно по газовому тракту турбинах, первая из которых приводит компрессор, а вторая приводит внешний потребитель мощности (см., например, там же, стр. 270, рис. 12.11).

Известен также способ работы газотурбинной установки, являющийся ближайшим к предложенному изобретению, включающий процессы сжатия воздуха в компрессорах с промежуточным охлаждением при сжатии, подогрев сжатого воздуха в камерах сгорания, расширения продуктов сгорания в турбинах, предварительного регенеративного подогрева сжатого воздуха перед подачей в камеру сгорания остаточным теплом выхлопа в теплообменнике-регенераторе (см. SU 118178, МПК F 02 С 6/02, 1958).

Недостатком указанных способов работы является существенное ухудшение термодинамической эффективности ГТУ, характеризуемой мощностным коэффициентом полезного действия (кпд), на режимах пониженной мощности, что связано со снижением температуры рабочего тела перед турбинами и, соответственно, температуры цикла.

Как известно, мощность турбины пропорциональна расходу рабочего тела и величине удельной работы
Nт=G•Lт
Величина удельной работы может быть описана формулой

где К и R - физические показатели рабочего тела: адиабатический коэффициент и газовая постоянная;
Т*_г - полная температура перед турбиной;
π_T - степень расширения (отношение давлений на входе и на выходе);
η_T - коэффициент полезного действия.

Основным воздействием, определяющим режим работы ГТУ, является изменение начальной температуры газов перед турбинами, осуществляемое путем регулирования подачи топлива в камеру сгорания. Именно с изменением этой температуры связано изменение всех основных термодинамических параметров, в том числе расхода рабочего тела, степени сжатия компрессора, общей степени расширения турбин. Из рассмотрения указанных выше формул очевидно, что чем резче изменяется при изменении температуры газа расход воздуха, тем меньшее снижение температуры требуется для получения одного и того же значения частичной мощности и тем меньшее будет получено падение кпд ГТУ на этом режиме.

При наличии кинематической связи потребителя мощности-электрогенератора с компрессором (в ГТУ одновальной схемы как в аналоге) снижение мощности происходит при постоянстве частоты вращения компрессора и, соответственно, относительно небольшом изменении расхода воздуха, преимущественно за счет уменьшения температуры рабочего тела перед турбиной, что вызывает наиболее резкое падение кпд (см. там же, стр. 270, рис. 12.10).

Более полого снижается кпд в ГТУ в аналогах, так как при снижении температуры рабочего тела падает частота вращения компрессора и расход воздуха. Однако в этом случае при снижении режима работы уменьшается, в основном, степень расширения последней по газовому потоку турбины привода потребителя, а степень расширения турбины привода компрессора остается практически постоянной в рабочем диапазоне режимов (известно, что в многоступенчатой турбине при изменении общей степени расширения наибольшее изменение происходит в последней ступени).

Таким образом, остается неиспользованным третий фактор, влияющий на мощность турбины привода компрессора и, соответственно, на величину расхода воздуха, а именно степень расширения турбины привода компрессора.

Задачей изобретения является обеспечение изменения выходной мощности ГТУ преимущественно за счет изменения расхода рабочего тела, приближение начальной температуры на входе в турбину к оптимальному уровню на каждом режиме работы с целью повышения кпд ГТУ и экономии топлива.

Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе работы газотурбинной установки, включающем процессы сжатия воздуха в компрессорах с промежуточным охлаждением при сжатии, подогрева сжатого воздуха в камерах сгорания, расширения продуктов сгорания в турбинах, предварительного регенеративного подогрева сжатого воздуха перед подачей в камеру сгорания остаточным теплом выхлопа в теплообменнике-регенераторе, поток рабочего тела разделяют между турбинами, по крайней мере, в одном из выделенных потоков производят дополнительный подогрев рабочего тела в дополнительной камере сгорания, регенеративный подогрев сжатого воздуха производят в выхлопном потоке с более высокой температурой, при этом подогретый воздух подают в зону смешения камеры сгорания, а часть воздуха из-за компрессора подают в первичную зону горения без регенеративного подогрева.

На чертеже изображена газотурбинная установка, в которой реализуется предложенный способ.

В газотурбинной установке процесс сжатия производят в двух компрессорах - компрессоре 1 низкого давления, кинематически связанном с турбиной 3, и компрессоре 2 высокого давления, кинематически связанном с турбиной 5 высокого и потребителем мощности 6.

Компрессор 1 низкого давления может быть выделен в отдельный кинематически автономный модуль с приводящей его турбиной 3 путем разделения потока газа между турбинами 5 и 3. Поток газа разделяют на выходе из турбины 5 высокого давления, направляя одну его часть в турбину 3, кинематически связанную с компрессором 1 низкого давления, а другую - в дополнительную турбину 8.

Газотурбинная установка также содержит камеру 4 сгорания, установленную перед турбиной 5 высокого давления, и регулирующее устройство 7. Между компрессорами 1 и 2 установлен теплообменник 9 для промежуточного охлаждения сжатого воздуха. В разделенных после турбин 5 высокого давления потоках установлены дополнительные камеры 9, 10 сгорания. В выхлопном потоке с более высокой температурой установлен регенератор 11.

Для повышения удельной мощности и кпд газотурбинной установки воздух после начального сжатия в компрессоре 1 низкого давления охлаждают в теплообменнике 9 и дополнительно подогревают при расширении после разделения потоков газа между турбиной 3 и дополнительной турбиной 8. В разделенных потоках производят разный подогрев. Также подают в первичную зону горения первой по газовому тракту камеры 4 сгорания часть воздуха из-за компрессора 2 высокого давления без регенеративного подогрева в регенераторе 11 для снижения выбросов окислов азота. Требуемый для баланса мощности уровень температуры перед турбиной 3 обеспечивают путем соответствующего выбора на расчетном режиме значений степеней сжатия компрессоров 1 и 2 и степени расширения турбины 3.

Способ работы газотурбинной установки включает процессы сжатия воздуха в компрессорах с промежуточным охлаждением при сжатии, подогрева сжатого воздуха в камерах сгорания, расширения продуктов сгорания в турбинах и предварительного регенеративного подогрева сжатого воздуха перед подачей в камеру сгорания. Поток рабочего тела разделяют между турбинами, по крайней мере, в одном из раздельных потоков производят дополнительный подогрев рабочего тела в дополнительной камере сгорания. Регенеративный подогрев сжатого воздуха производят в выхлопном потоке с более высокой температурой. Подогретый воздух подают в зону смешения камеры сгорания. Часть воздуха из-за компрессора подают в первичную зону горения без регенеративного подогрева. Изобретение позволяет повысить кпд установки и обеспечить экономичность топлива. 1 ил.

Способ работы газотурбинной установки, включающий процессы сжатия воздуха в компрессорах с промежуточным охлаждением при сжатии, подогрева сжатого воздуха в камерах сгорания, расширения продуктов сгорания в турбинах, предварительного регенеративного подогрева сжатого воздуха перед подачей в камеру сгорания остаточным теплом выхлопа в теплообменнике-регенераторе, отличающийся тем, что поток рабочего тела разделяют между турбинами, по крайней мере, в одном из разделенных потоков производят дополнительный подогрев рабочего тела в дополнительной камере сгорания, регенеративный подогрев сжатого воздуха производят в выхлопном потоке с более высокой температурой, при этом подогретый воздух подают в зону смешения камеры сгорания, а часть воздуха из-за компрессора подают в первичную зону горения без регенеративного подогрева.