СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2002 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, которыми оснащаются электростанции, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности в компрессорах для транспорта природного газа по трубопроводам, на насосных станциях для перекачки нефти и других объектах, где требуются мощные и компактные приводы.

Известен способ работы газотурбинной установки (см. статью Романова В.И. и Сташка А. И. Состояние и перспективы развития газотурбинных приводов судового типа для газоперекачивающих агрегатов мощностью 2,5-25 МВт // Компрессорная техника и пневматика - 1997 - Вып.1 - 2 (14-15) - С. 113-119), цикл, которой включает подачу сжатого компрессором воздуха, топлива и водяного пара в камеру сгорания, изобарное сжигание топлива в атмосфере водяного пара; расширение парогазового рабочего тела в турбине с совершением работы; получение высоконапорного пара путем рекуперативного теплообмена в регенераторе между водой и расширившимся рабочим телом; отделение после рекуператора сконденсировавшейся воды из рабочего тела; сброс продуктов сгорания; последующее нагнетание сконденсировавшейся воды на получение пара.

Недостатком описанного способа является сжигание топлива в атмосфере водяного пара. Процесс горения топлива в таких условиях требует повышенного содержания воздуха, необходимого для горения, и отличается нестабильностью, которая увеличивается с повышением количества подаваемого пара. В результате чего, во-первых, повышается расход энергии на сжатие воздуха и, как следствие, уменьшается полезная работа газотурбинной установки. Во-вторых, получаемое парогазовое рабочее тело имеет пульсирующую температуру, что негативно сказывается на работе турбины, существенно снижая эффективность ее работы и всей установки в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ работы газотурбинной установки (см. патент US 5271216, МПК 7 F 02 С 3/30, 1993), цикл действия которой включает подачу топлива и сжатого компрессором воздуха в камеру сгорания, изобарного сжигания топлива в последней, эжектирование продуктов сгорания водяным паром с получением их смеси - парогазового рабочего тела, расширение парогазового рабочего тела в турбине с совершением работы; получение пара из воды, нагреваемой расширившимся рабочим телом. В данном способе процесс горения стабилен, в парогазовом рабочем теле отсутствуют температурные пульсации, и газотурбинная установка работает более эффективно, чем в предыдущем способе.

Однако необходимость поддержания высокой температуры расширившегося рабочего тела после турбины для получения в регенераторе высокоэнергетического водяного пара для процесса эжекции является существенным недостатком данного способа. Поддержание высокой температуры рабочего тела после турбины приводит к понижению степени его расширения в турбине и, как следствие, к уменьшению производимой работы и падению эффективности (к.п.д.) установки в целом. Необходимость поддержания высокой температуры после турбины приводит также к повышению начальной температуры рабочего тела перед турбиной, что приводит к усиленному охлаждению ее рабочих поверхностей и корпуса, повышенному расходу топлива и уменьшению к.п.д. установки.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки.

Для достижения этого технического результата в способе работы газотурбинной установки, включающем изобарное сжигание топлива с воздухом, эжектирование газообразных продуктов сгорания водяным паром с получением парогазового рабочего тела, его расширение с совершением работы, получение водяного пара из высоконапорной воды путем нагревания ее теплом расширившегося рабочего тела, отделение сконденсировавшейся воды из охлажденного рабочего тела, получение высоконапорной воды путем нагнетания отделенной воды и сброс продуктов сгорания, в процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела, выравнивают перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара, выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающими при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара, отделенную воду нагнетают с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела.

Поддержание количества водяного пара в процессе эжекции в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода всего рабочего тела через турбину исключает подачу воздуха, необходимого для охлаждения рабочего тела перед турбиной. Тем самым уменьшается работа компрессора на сжатие и увеличивается полезная работа всей установки, т.е. увеличивается ее к.п.д.

Выполнение перед эжектированием теплообмена между продуктами сгорания и водяным паром с выравниванием их температур позволяет провести процесс их эжекционного смешения и сжатия парогазовой смеси в изотермическом режиме (как наиболее экономичном из существующих режимов сжатия). Эффективное повышение давления парогазового рабочего тела позволяет увеличить производимую турбиной работу и тем самым повысить к.п.д. газотурбинной установки.

Выбор величин давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающих при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара позволяет повысить степень сжатия рабочего тела по сравнению с давлением продуктов сгорания в 1,3-1,4 раза, что существенно увеличивает эффективность работы турбины и, как следствие, повышает к.п.д. всей установки.

Нагнетание отделенной от охлажденного расширенного рабочего тела воды с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширенного рабочего тела после турбины, позволяет создать максимально возможное давление водяного пара для процесса эжекции, и повысить давление парогазового рабочего тела до его расширения в турбине, и в конечном итоге повысить к.п.д. установки.

Совокупность всех отличительных признаков позволяет повысить эффективный (внутренний) к.п.д. установки до величин порядка 0,41-0,45.

Заявителю не известны способы работы газотурбинных установок, в которых бы повышение коэффициента полезного действия газотурбинной установки достигалось подобным образом.

На чертеже представлена схема газотурбинной установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка состоит из турбины 1, компрессора 2 для сжатия воздуха, генератора электрического тока 3, нагнетателя топлива 4, водяного насоса 5, рекуператора 6, сепаратора 7, камеры сгорания 8, теплообменника 9, эжектора 10.

Способ осуществляется в газотурбинной установке следующим образом.

Сжатое в нагнетателе 4 топливо и сжатый в компрессоре 2 воздух подают в камеру сгорания 8. В компрессоре 2 для сжатия воздуха используют часть энергии, полученной в турбине 1. В камере сгорания 8 осуществляют изобарное сжигание топлива. В эжекторе 10 продукты сгорания эжектируют водяным паром с получением парогазового рабочего тела. В турбине 1 парогазовое рабочее тело расширяют с совершением удельной работы. Водяной пар производят из высоконапорной воды в рекуператоре 6 теплом расширившегося рабочего тела. Высоконапорную воду получают путем нагнетания насосом 5 воды, которую выделяют в сепараторе 7 из охладившегося в рекуператоре 6 расширенного рабочего тела. Выделенные сепаратором 7 продукты сгорания сбрасывают.

Количество водяного пара, подаваемого в эжектор 10, поддерживают в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела через турбину 1.

Перед эжектированием в теплообменнике 9 выполняют теплообмен между продуктами сгорания и водяным паром с целью выравнивания величин их температур.

Подачу продуктов сгорания и водяного пара в эжектор 10 производят с давлениями, величины которых обеспечивают сверхзвуковой режим истечения пара в эжекторе 10.

Отделенную в сепараторе 7 от охлажденного расширившегося рабочего тела воду нагнетают насосом 5 с давлением, необходимым для получения в рекуператоре 6 водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела после турбины 1.

ПРИМЕР.

Для изобарного сжигания топлива - метана с расходом 0,0306 кг/с - подают воздух с давлением 0,7 МПа. Парогазовое рабочее тело, имеющего давление 1,0 МПа и температуру 850^oС, получают эжектированием продуктов сгорания водяным паром. В процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 кг/с при массовом расходе 1 кг/с всего рабочего тела. Перед эжектированием осуществляют теплообмен между продуктами сгорания и водяным паром для выравнивания величин их температур (850^oС). Выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара равными соответственно 0,70 МПа и 2,50 МПа для обеспечения при эжектировании сверхзвукового режима (число Маха - М=1,3) истечения пара. Парогазовое рабочее тело расширяют до давления 0,12 МПа с совершением удельной работы 7,55•10⁶ Дж/кг. Водяной пар производят из высоконапорной воды теплом расширившегося рабочего тела, имеющего после турбины температуру 225^oС. Высоконапорную воду получают путем нагнетания с давлением 2,5 МПа воды, которую отделяют из охладившегося до 50^oС расширенного рабочего тела путем сепарации. Такое давление необходимо для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширенного рабочего тела и составляет 225^oС. Выделенные при сепарации продукты сгорания сбрасывают.

Удельная работа компрессора 2, нагнетающего воздух, составляет 1,592•10⁵ Дж/кг, удельная работа нагнетателя 4-65 Дж/кг, удельная работа насоса 4, нагнетающего воду, 1410 кДж/кг, удельная работа эжектора 10-4,1•10⁴ Дж/кг. При низшей теплотворной способности топлива - метана, равной 5•10⁷ Дж/кг, эффективный к.п.д. газотурбинной установки составляет 0,43.

Таким образом, поддержание в процессе эжекции количества водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела, выравнивание перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара, поддерживание величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающ ей при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара, и нагнетание отделенной воды с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочею тела, позволило довести эффективный к.п.д. газотурбинной установки до 0,43.

Способ работы газотурбинной установки включает изобарное сжигание топлива с воздухом, эжектирование газообразных продуктов сгорания водяным паром с получением парогазового рабочего тела, его расширение с совершением работы. Получение водяного пара производят из высоконапорной воды путем нагревания ее теплом расширившегося рабочего тела. Далее осуществляют отделение сконденсировавшейся воды из охлажденного рабочего тела, получение высоконапорной воды путем нагнетания отделенной воды, сброс продуктов сгорания. В процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела. Выравнивают перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара. Выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающие при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара. Нагнетают отделенную воду с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела. Изобретение позволяет повысить к.п.д. 1 ил.

Способ работы газотурбинной установки, включающий изобарное сжигание топлива с воздухом, эжектирование газообразных продуктов сгорания водяным паром с получением парогазового рабочего тела, его расширение с совершением работы, получение водяного пара из высоконапорной воды путем нагревания ее теплом расширившегося рабочего тела, отделение сконденсировавшейся воды из охлажденного рабочего тела, получение высоконапорной воды путем нагнетания отделенной воды и сброс продуктов сгорания, отличающийся тем, что в процессе эжекции поддерживают количество водяного пара в пределах от 0,25 до 0,5 от массового расхода парогазового рабочего тела, выравнивают перед эжектированием температуры продуктов сгорания и водяного пара, выбирают величины давлений продуктов сгорания и водяного пара, обеспечивающие при эжектировании звуковой или сверхзвуковой режим истечения водяного пара, отделенную воду нагнетают с давлением, необходимым для получения водяного пара, температура которого равна температуре расширившегося рабочего тела.