СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК F02C6/18 F02C7/47 

Изобретение относится к способам получения тепловой и электрической энергии с помощью теплофикационной энергетической газотурбинной установки на основе высокотемпературного авиационного двигателя, конвертируемого для наземного применения.

Известен способ получения тепловой и электрической энергии, согласно которому для увеличения выдачи потребителю тепловой энергии или для ее поддержания на постоянном уровне при пониженной температуре атмосферного воздуха выходящий из турбины газотурбинного двигателя газ дополнительно подогревают при сжигании дополнительного топлива, а затем подогретый газ направляют в теплофикационный котел, где он отдает свою тепловую энергию [1] .

Недостатком известного способа является пониженный тепловой кпд, т.к. тепловая энергия, полученная при сжигании топлива за турбиной, не "срабатывается" в турбине. Кроме того, требуется дополнительное оборудование для сжигания топлива за турбиной, что снижает надежность и эффективность известного способа.

Наиболее близким к заявляемым является способ получения тепловой и электрической энергии, включающий подачу воздуха на вход в газотурбинную установку, сжатие его в компрессоре, из которого воздух направляют в камеру сгорания, далее расширяют в турбине, приводящей в действие компрессор и электрогенератор, затем отработавшие в турбине газы пропускают в качестве греющей среды через теплообменник, а подогретый в теплообменнике атмосферный воздух направляют на вход в двигатель [2].

Однако известный способ не имеет достаточную надежность и эффективность, т.к. требует применения дополнительного теплообменника для подогрева атмосферного воздуха, а тепло выходящего из турбины газа не используется полностью на теплофикацию.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности и надежности за счет регулирования температуры воздуха на входе в компрессор и повышения теплового кпд установки.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения тепловой и электрической энергии, включающей подачу воздуха в газотурбинную установку, сжатие его в компрессоре, из которого воздух направляют в камеру сгорания, далее расширяют в турбине приводящей в действие компрессор и электрогенератор, затем отработавшие в турбине газы пропускают в качестве греющей среды через теплообменник, согласно изобретению, часть закомпрессорного воздуха в количестве 0,1-20% перепускают на вход в компрессор, причем расход закомпрессорного воздуха определяют по формуле:
G=К(То-Тн),
где Тн - температура атмосферного воздуха на входе в компрессор,^oС;
То - температура воздуха в начале отопительного сезона,^oС;
К - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров конкретной установки.

Такой способ позволяет при постоянной мощности на валу газотурбинного двигателя для выработки электроэнергии в случае понижения температуры атмосферного воздуха на входе в компрессор сохранить постоянной тепловую мощность газотурбинной установки или ее увеличить при повышении теплового кпд.

Сохранение постоянной мощности на валу газотурбинного двигателя позволяет не перегружать электрогенератор установки избыточной мощностью на валу, что повышает надежность установки и способа в целом.

Повышение теплового кпд по сравнению с прототипом достигается за счет того, что весь газ из турбины проходит через теплообменник-рекуператор, отдавая свое тепло потребителю. Увеличение тепловой мощности (или поддержании ее постоянной при снижении температуры атмосферного воздуха) происходит вследствие повышения или поддержания постоянной температуры газов на выходе из турбины как за счет подогрева воздуха на входе в компрессор, так и за счет повышения режима работы двигателя для компенсации потерь мощности на сжатие отбираемого за компрессором воздуха.

Для надежной и экономичной работы теплообменника необходимо, чтобы расход и температура газа на его входе сохранялись постоянными на всех режимах работы установки и при любых изменениях температуры окружающего атмосферного воздуха. Заявляемый способ обеспечивает такое постоянство за счет перепуска закомпрессорного воздуха на вход в компрессор. При этом расход воздуха изменяется от 0,1%, когда перепуска нет, до 20%. При расходе более 20% возможна поломка компрессора из-за вибрации лопаток, а также поломка турбины из-за повышенной температуры газа перед ней.

Регулирование перепускаемого воздуха осуществляется по математической формуле, чем обеспечивается изменение расхода закомпрессорного горячего воздуха в зависимости от температуры атмосферного воздуха и параметров конкретной установки.

На чертеже показана схема газотурбинной энергетической теплофикационной установки, осуществляющей заявляемый способ.

Установка 1 состоит из газотурбинного двигателя 2, редуктора 3, электрогенератора 4 и теплообменника-рекуператора 5, который расположен в выходной шахте 6. Газотурбинный двигатель 1 состоит из компрессора 7, камеры сгорания 8, турбины высокого давления 9, которая приводит во вращение компрессор 7 с помощью вала 10 и силовой турбины 11, которая с помощью вала 12 через редуктор 3 вращает электрогенератор 4.

На выходе 13 компрессора 7 забирается горячий закомпрессорный воздух и с помощью трубопровода 14, заслонки 15 и коллектора 16 во входную шахту 17 поступает на вход 20 компрессора 7 газотурбинного двигателя 2. На выходе из двигателя 2 газ 21 проходит через теплообменник-рекуператор 5, отдавая свое тепло на подогрев воды 22.

Способ осуществляется следующим образом.

С наступлением отопительного сезона, т. е. при понижении температуры воздуха до +5^oС, например, надежная и экономичная работа теплообменника-рекуператора 5 будет обеспечена в том случае, когда температура и расход газа 21 на выхлопе из турбины 11 будут постоянны при постоянной мощности на валу 12 силовой турбины 11 для выработки электроэнергии с помощью электрогенератора 4.

Атмосферный воздух 19 подают во входную шахту 17 установки 1, затем он поступает на вход 20 компрессора 7 газотурбинного двигателя 2. На выходе 13 компрессора 7 часть горячего закомпрессорного воздуха 18 по трубопроводу 14 с заслонкой 15 и коллектором 16 поступает обратно в шахту 17, где смешивается с атмосферным воздухом 19, нагревая его. Количество горячего закомпрессорного воздуха регулируется с помощью заслонки 15 для поддержания постоянной температуры газа 21 на выходе из турбины 11, т.е. на входе в теплообменник-рекуператор 5. На выходе из двигателя 2 газ 21 проходит через теплообменник-рекуператор 5, отдавая свое тепло на подогрев воды 22.

При этом расход газа на выходе из турбины 11 остается неизменным при изменении температуры атмосферного воздуха 19 на входе в шахту 17. Температура газа на выходе из камеры сгорания 8 или перед турбиной высокого давления 9 при этом также остается неизменной и более низкой, чем при работе двигателя 2 на номинальном режиме в стандартных условиях (при +15^oС).

Ресурс горячей части двигателя 2 в данном случае расходуется незначительно, особенно для высокотемпературного авиационного двигателя, конвертированный вариант которого используется в данной установке.

Источники информации:
1. В. А. Шварц. Конструкции газотурбинных установок, стр.15, 16, рис.7, 8.

2. Патент РФ 2125171, F 02 С 1/05,1997 г.

Способ получения тепловой и электрической энергии включает подачу воздуха в газотурбинную установку, сжатие его в компрессоре. Из компрессора воздух направляют в камеру сгорания, далее расширяют в турбине, приводящей в действие компрессор и электрогенератор. Отработавшие в турбине газы пропускают в качестве греющей среды через теплообменник. Часть закомпрессорного воздуха в количестве 0,1-20% перепускают на вход в компрессор, регулирование количества перепускаемого закомпрессорного воздуха осуществляют в зависимости от температуры атмосферного воздуха и воздуха в начале отопительного сезона. Изобретение повышает эффективность и надежность за счет регулирования температуры на входе в компрессор и приводит к повышению теплового кпд установки при температурах окружающего воздуха ниже температуры воздуха в начале отопительного сезона. 1 ил.

Способ получения тепловой и электрической энергии, включающий подачу воздуха в газотурбинную установку, сжатие его в компрессоре, из которого воздух направляют в камеру сгорания, далее расширяют в турбине, приводящей в действие компрессор и электрогенератор, затем отработавшие в турбине газы пропускают в качестве греющей среды через теплообменник, отличающийся тем, что часть закомпрессорного воздуха в количестве 0,1 - 20% перепускают на вход в компрессор, причем регулирование количества перепускаемого закомпрессорного воздуха осуществляют в зависимости от температуры атмосферного воздуха в начале отопительного сезона.