СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА ТВЕРДОМ ИЛИ ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ Российский патент 2005 года по МПК F01K21/00 

Изобретение относится к способам работы газотурбинных электростанций и предназначено для получения электроэнергии в районах, где имеется большое количество дешевого твердого топлива в виде торфа, бурого или каменного угля, горючих сланцев или отходов лесной и лесообрабатывающей промышленности или жидкого топлива в виде мазута или сырой нефти.

Известно устройство, называемое паротурбинными электростанциями, в которых получаемый в паровом котле пар направляют на сопла паровой турбины, вращающей электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию, направляемую потребителям в электросеть [1, 2]. Недостатком этого устройства является необходимость затрачивать большое количество тепла на подогрев воды и ее испарение, и это тепло не может быть использовано для преобразования в электроэнергию, в результате чего коэффициент полезного действия таких электростанций невысок.

Дополнительный недостаток этих электростанций в том, что предельно высокая температура получаемого пара, используемого в турбинах, не может превышать 800К [1], так как при более высокой температуре начинается заметная термическая диссоциация молекул воды на кислород и водород, которые разрушают трубы парового котла. Недостаточно высокая температура также приводит к невысокому коэффициенту полезного действия паротурбинных электростанций.

Паротурбинные электростанции производят большую часть электроэнергии на тепловых электростанциях и большая их часть работает на твердом топливе в виде каменного, бурого угля, горючих сланцев и на жидком топливе в виде мазута. Эти электростанции могут также работать на торфе, запасы которого в России огромны, и на отходах лесной и лесообрабатывающей промышленности. Эти виды топлива в настоящее время мало используются, но в отличие от других видов топлива они являются возобновляемыми, и это очень важно.

Паротурбинные электростанции могут работать и на природном газе. Однако запасы природного газа ограничены и постепенно истощаются. Поэтому такие электростанции постепенно будут перепрофилироваться на другое топливо.

Известны также газотурбинные электростанции [3], в которых горящий природный или подобный ему газ с температурой 1300-1400 К через сопла направляют на лопатки газовой турбины, вращающей электрогенератор, вырабатывающий электроэнергию. Недостатком этих электростанций является использование дефицитного газообразного топлива, и потому, несмотря на заметно более высокий коэффициент полезного действия, эти электростанции не могут быть основными производителями электроэнергии на тепловых электростанциях.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретения, является преобразование паротурбинной электростанции в газотурбинную, работающую на вышеуказанном твердом и жидком топливе, и таким образом значительно повысить коэффициент полезного действия этих электростанций без фундаментальной реконструкции.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы газотурбинной электростанции путем первоначального впуска рабочего газа при запуске электростанции, адиабатического сжатия газа в компрессоре, нагрева газа в паротрубном котле, направления газа на сопла газовой турбины (каскад турбин), вырабатывающей электроэнергию, и направления отработанного газа в холодильник, охлаждаемый проточной водой, впуск рабочего газа осуществляют под давлением 2-50 атмосфер (0,2-5 МПа), в компрессоре повышают давление до Р₂=0,4-25 МПа и температуру газа на 50-250 К, нагревают газ в паротрубном котле до температуры Т₃=800-1400 К, а в холодильнике охлаждают газ до температуры T₁=350-370 К при нагреве воды до 340-350 К, причем нагретую воду используют для водяного отопления и бытовых целей.

Сущность изобретения состоит в том, что в традиционных паротурбинных электростанциях пар заменяют инертными по отношению к трубам котла газами (обезвоженным воздухом, азотом, аргоном или гелием), что дает возможность избежать затрат тепловой энергии на подогрев и испарение воды, повысить температуру рабочего газа, поступающего в турбины электростанции, и значительно увеличить ее коэффициент полезного действия без больших капиталовложений, превратив паротурбинные электростанции в газотурбинные, работающие на дешевом твердом топливе или жидком топливе в виде мазута и сырой нефти. В результате значительно увеличится производство дешевой электроэнергии в стране в целом.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для реализации предложенного способа. На фиг.2 изображен цикл рабочего газа при работе устройства по фиг.1. Устройство по фиг.1 состоит из впускного крана 1 и выпускного крана 2 для рабочего газа, впускной камеры 3, теплоизолированного трубопровода 4, компрессора 5, топки котла 6 с нагревательными трубами 7, колосниковой решеткой 8 с твердым топливом 9, форсунками для вдувания воздуха 10 (или форсунками для жидкого топлива при работе на нем), отверстиями 11 с крышками для загрузки топлива в топку, отверстием 12 с крышкой для удаления золы.

Трубы котла 7 присоединены к теплоизолированному трубопроводу 13, который заканчивается соплом 14 турбины 15, спаренной с электрогенератором 16. Для отвода отработанного в турбине рабочего газа и его охлаждения выполнен змеевик 17 в холодильнике 18, охлаждаемом проточной водой. Теплоизолированным трубопроводом 19 через кран 2 змеевик 17 соединен с впускной камерой 3.

Продукты горения топлива из топки котла 6 удаляются через дымовую трубу 20.

Работа устройства по фиг.1 осуществляется следующим образом. Первоначально зажигают топливо в топке котла 6. Далее при запуске 5 устройства кран 1 открывают на впуск газа в камеру 3 и начинают впуск одного из рабочих газов (обезвоженного воздуха, азота, аргона, гелия), затем открывают кран 2 на выпуск выдавливаемого из устройства воздуха наружу и запускают компрессор 5, работающий от внешней электрической сети. После промывания устройства газом кран 2 закрывают на выход наружу и открывают на впуск в камеру 3. Далее, запуская газ через кран 1, постепенно повышают давление до заданного значения P₁, фиг.2, включают турбину 15 и холодильник 18 и, регулируя температуру в топке котла 6 подачей газа через кран 1, устанавливают стационарный режим работы устройства и кран 1 закрывают. Работа устройства по фиг.1 в стационарном режиме происходит следующим образом и наглядно демонстрируется газовым циклом на фиг.2 с состояниями газа 1, 2, 3, 4.

Газ при давлении P₁ и температуре T₁ адиабатически сжимают в компрессоре и при этом затрачивается работа, а давление и температура рабочего газа повышаются до значений Р₂ и T₂. Далее газ нагревается в котле 6 при постоянном давлении Р₂ до температуры Т₃ и через сопло 14 поступает в турбину 15, где адиабатически расширяется, совершая полезную работу, вращая турбину 15 и спаренный с ней электрогенератор 16. Вырабатываемая электрогенератором электроэнергия направляется потребителям в электросеть.

При адиабатическом расширении газа в турбине его давление и температура падают до значений P₁ и Т₄. Далее газ поступает в холодильник 18 и при постоянном давлении P₁ охлаждается до температуры T₁. Температура воды, проходящей через холодильник 18, существенно повышается, и эта вода может быть использована для водяного отопления зданий и бытовых нужд. Таким образом рабочий газ возвращается в исходное состояние, и его рабочий цикл завершается и далее может повторяться сколько угодно раз. Реальные значения давления и температуры в состояниях 1-4 по фиг.2 указаны выше. Площадь, ограниченная контуром цикла на фиг.2, демонстрирует и дает возможность вычислить полезную работу за один цикл и коэффициент полезного действия предлагаемой электростанции. Характеристики переходов из одного состояния рабочего газа в другое на фиг.2 и изменения давления, температуры и внутренней энергии рабочего газа можно вычислить по известным уравнениям физики для идеального газа [5].

Экономический эффект от предлагаемого изобретения обеспечивается прежде всего тем, что это значительно повысит коэффициент полезного действия паротурбинных электростанций, работающих на твердом или жидком топливе, что повлечет за собой более широкое использование недефицитного твердого топлива в виде каменного угля, бурого угля, торфа и отходов лесной промышленности или мазута и сырой нефти.

Дополнительный экономический эффект может быть получен путем передела без больших капитальных вложений паротурбинных электростанций в газотурбинные с большим коэффициентом полезного действия.

Изобретение также облегчает создание небольших локальных электростанций на основе котлов, используемых для обогрева отдельных зданий, обеспечивая электроснабжение, независимое от государственной или муниципальной электросети, тарифы которых на электроэнергию постоянно растут или электроэнергию вообще отключают.

В целом использование предлагаемого изобретения значительно увеличит выработку дешевой электроэнергии в России, что даст кроме прямого косвенный экономический эффект за счет использования этой электроэнергии в промышленности и сельском хозяйстве.

Полученный экономический эффект будет очень большим, но количественно его в настоящее время оценить трудно.

Литература

1. Теплотехника, под редакцией Крутова В.И. Машиностроение, Москва, 1986 г., стр. 335-340.

2. Теплотехника и теплоэнергетика. Справочник по редакцией Григорьева В.А., Зорина В.М. Энергоатомиздат, Москва, 1987 г., стр. 46-48.

3. [1], стр. 349-352.

4. [1], стр. 149-154.

5. Яворский Б.М., Детлаф Д.А. Справочник по физике. Изд-во физико-математической литературы. Москва, 1963 г., стр. 149-153.

Изобретение относится к газотурбинным электростанциям и предназначено для получения электроэнергии в районах, где имеется большое количество дешевого топлива. Предложен способ работы электростанции, состоящей из компрессора, приводимого в действием энергией электрической сети, паротрубного котла, нагреваемого сжиганием твердого (угля, торфа, древесных отходов) или жидкого топлива (сырой нефти, мазута), газовой турбины, спаренной с электрогенератором, и холодильника, охлаждаемого проточной водой. Рабочий газ (воздух, азот, аргон, гелий) при исходном давлении 2-50 атмосфер адиабатически сжимается компрессором, повышая давление газа в 2-5 раз и температуру на 50-250 К, нагревают газ в паротурбинном котле до 800-1400 К и через сопла направляют на ротор газовой турбины, где газ вращает турбину и спаренный с ней электрогенератор и, адиабатически расширяясь, совершает механическую работу, преобразуемую в электроэнергию, направляемую в электросеть. После выхода из турбины отработанный газ поступает в холодильник, охлаждаемый проточной водой, и при исходном давлении и температуре поступает в компрессор для очередного рабочего цикла, который может повторяться неограниченное число раз. При прохождении отработанного газа через холодильник проточная вода нагревается и может быть использована для отопления зданий и бытовых нужд. Изобретение позволяет получать электроэнергию при более высоком коэффициенте полезного действия, используя дешевое низкосортное топливо, чем при его сжигании на паротурбинных электростанциях. 2 ил.

Способ работы газотурбинной электростанции путем первоначального впуска рабочего газа под давлением при запуске электростанции, адиабатического сжатия газа в компрессоре, нагрева газа в паротрубном котле, направления газа на сопла газовой турбины (каскад турбин), вырабатывающей электроэнергию, и направления отработанного газа в холодильник, охлаждаемый проточной водой, отличающийся тем, что впуск рабочего газа осуществляют под давлением 2-50 атмосфер (0,2-5 МПа), в компрессоре повышают давление до Р₂=0,4-25 МПа и температуру на 50-250К, нагревают газ в паротрубном котле до температуры Т₃=800-1400K, а в холодильнике охлаждают газ до температуры T₁=350-370К при нагреве воды до 340-350К, причем нагретую воду используют для водяного отопления и бытовых целей.