УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭНЕРГИИ Российский патент 2007 года по МПК F02C3/30 F02C7/14 

Настоящее изобретение относится к установке для выработки энергии в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения. Установка этого типа известна, например, из US 5669217 и EP 1039115. В этих известных установках охлаждающие средства для охлаждения воздуха между компрессором низкого давления и компрессором высокого давления разработаны как средства для впрыскивания воды.

Как известно из предшествующего уровня техники, имеются различные причины для использования впрыскивания воды в установку этого типа. Одной важной причиной является то, что впрыскивание воды создает возможность достижения более высокой эффективности установки. Другой причиной является возможность понижения загрязняющих выбросов из установки.

Необходимо отметить, что термин «впрыскивание воды» в контексте настоящего изобретения включает любую форму впрыскивания воды, то есть включает распыление воды, впрыскивание предварительно нагретой воды или пара и т.п.

В установках, известных к настоящему времени, полезные эффекты, упомянутые выше, не могут быть достигнуты в удовлетворительной степени.

Первой задачей настоящего изобретения является предложение мероприятий, которые приводят к усовершенствованию установки.

В частности, задачей изобретения является создание установки с более высокой эффективностью, чем известные установки этого типа, описанные в преамбуле.

Другой задачей изобретения является предложение мероприятий, посредством которых производится оптимальное использование тепла газов, отходящих из установки, для нагрева/испарения впрыскиваемой воды.

Еще одной задачей является создание установки с более низкими загрязняющими выбросами, чем в известных установках этого типа, описанных в преамбуле.

Еще одной задачей является создание установки, в которой оптимальные рабочие условия создаются для одного или более компонентов установки, что является преимуществом, например, для технической реализации соответствующего(их) компонента(ов).

Настоящим изобретением предусмотрена установка в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы изобретения, которая отличается тем, что предусмотрен канал для вторичного воздуха, входной конец которого присоединен между выходом из компрессора низкого давления и входом в компрессор высокого давления таким образом, что из сжатого воздуха, который берет начало от выхода из компрессора низкого давления, поток первичного воздуха проходит в компрессор высокого давления, и поток вторичного воздуха проходит в канал для вторичного воздуха, и в канале для вторичного воздуха имеются первые средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток вторичного воздуха, и выходной конец канала для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между выходом из узла компрессорной турбины и входом в силовую турбину.

Разделение потока воздуха, который берет начало от компрессора низкого давления, на поток первичного воздуха и поток вторичного воздуха, дает возможность достижения оптимальных рабочих условий для компрессора высокого давления, одновременно это также возможно для эффективного впрыскивания воды в поток вторичного воздуха. В этом случае охлаждающие средства, которые охлаждают поток первичного воздуха, могут также быть разработаны как средства для впрыскивания воды, которые, однако, являются независимыми от средств для впрыскивания воды для потока вторичного воздуха.

Предпочтительно, поток первичного воздуха больше, чем поток вторичного воздуха, например поток первичного воздуха составляет 70-90%, и поток вторичного воздуха 10-30% от всего потока воздуха, подаваемого компрессором низкого давления.

Поток вторичного воздуха соединяется с потоком первичного воздуха ниже по потоку, чем узел компрессорной турбины, так что этот поток вторичного воздуха может удерживаться при относительно низком давлении. Если давление в точке, где соединяются два потока воздуха, является более высоким, чем на выходе из компрессора низкого давления, может быть предусмотрен вентилятор, вспомогательный компрессор, который передает более высокое давление потоку вторичного воздуха. Например, этот вентилятор может быть вентилятором с электрическим приводом.

Предпочтительно, предусмотрен теплообменник, который осуществляет теплообмен между отходящими газами в системе труб для отходящих газов, с одной стороны, и потоком вторичного воздуха, с другой стороны, предпочтительно ниже по потоку, чем первые средства для впрыскивания воды. Таким образом, создается возможность впрыскивать в поток вторичного воздуха и испарять с использованием тепла отходящих газов такое большое количество воды, какое возможно.

Устройство для сжигания низкого давления размещено между выходом из узла компрессорной турбины и силовой турбиной. Также устройство для сжигания высокого давления может быть размещено между выходом из компрессора высокого давления и входом в узел компрессорной турбины, для того чтобы сжигать соответствующую смесь, содержащую сжатый воздух и топливо.

Узел компрессорной турбины включает одну компрессорную турбину, которая расположена на общем валу с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления.

Четвертые охлаждающие средства предназначены для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток вторичного воздуха ниже по потоку, чем первый теплообменник, например между третьим и четвертым теплообменниками. Средства для охлаждения потока первичного воздуха между выходом из компрессора низкого давления и входом в компрессор высокого давления предусмотрены как четвертые средства для впрыскивания воды.

Дополнительные целесообразные конструктивные исполнения установки в соответствии с изобретением описаны в пунктах формулы изобретения и последующем описании, которое основано на чертеже, на котором изображена схема соединений примера конструктивного исполнения установки в соответствии с изобретением.

Необходимо отметить, что в контексте описания, которое следует далее, и в пунктах формулы изобретения используются такие числительные как первый, второй, третий и т.п. Эти числительные используются только для идентификации отдельных компонентов и не дают никакого указания на число аналогичных компонентов, которые имеются в установке или должны быть представлены в ней. Например, возможно разработать установку, в которой четвертый теплообменник, который будет описан далее, отсутствует, в то время как пятый и шестой теплообменники, которые еще будут описаны более подробно, тем не менее присутствуют.

На чертеже изображена установка для выработки энергии в соответствии с изобретением. Эта установка содержит узел компрессора для сжатия воздуха. В этом примере узел компрессора содержит компрессор 1 низкого давления с входом 2 для воздуха и выходом 3, компрессор 4 высокого давления с входом 5 и выходом 6, причем выход 3 из компрессора низкого давления соединен с входом 5 в компрессор 4 высокого давления,

- узел компрессорной турбины для привода компрессора 1 низкого давления и компрессора 4 высокого давления, причем этот узел компрессорной турбины включает одну компрессорную турбину 7, и этот узел компрессорной турбины имеет вход 8 и выход 9, при этом вход 8 соединен с выходом из компрессора 4 высокого давления.

В этом примере компрессоры 1, 4 и компрессорная турбина 7 расположены на одном общем валу 10.

Канал 12 для первичного воздуха проходит между выходом 3 и входом 5, причем через этот первичный канал 12 поток первичного воздуха проходит из компрессора 1 низкого давления в компрессор 4 высокого давления. Входной конец канала 13 для вторичного воздуха соединен с указанным каналом 12 для первичного воздуха таким образом, что из сжатого воздуха, который берет начало от выхода из компрессора 1 низкого давления, поток первичного воздуха проходит в компрессор 4 высокого давления, и поток вторичного воздуха в канал 13 для вторичного воздуха.

Поток воздуха из компрессора 1 низкого давления предпочтительно разделяется таким образом, что поток первичного воздуха больше, чем поток вторичного воздуха; например поток первичного воздуха составляет до 85%, и поток вторичного воздуха до 15% от всего потока воздуха. Отношение между двумя потоками может быть постоянным, например посредством того, что канал для вторичного воздуха имеет определенную площадь прохода по отношению к площади прохода канала 12 для первичного воздуха. Если приемлемо, могут быть предусмотрены регулирующие средства, например средства в виде клапанов, предпочтительно в канале 13 для вторичного воздуха, для того, чтобы открывать/закрывать и/или регулировать размер площади прохода канала 13 для вторичного воздуха по отношению к каналу 12 для первичного воздуха.

В канале 13 для вторичного воздуха имеются первые средства 15 для впрыскивания воды в поток вторичного воздуха.

Четвертые средства 17 для впрыскивания воды предусмотрены для охлаждения потока первичного воздуха в канале 12 для первичного воздуха.

Общеизвестно в связи с впрыскиванием воды любым способом, что оно требуется для того, чтобы охлаждать воздух и повысить массовый расход в установке, что предоставляет различные преимущества.

В этом примере вентилятор 18 предусмотрен выше по потоку, чем первые средства 15 для впрыскивания воды в канале 13 для вторичного воздуха, для ограничения подъема давления в потоке вторичного воздуха. Этот вентилятор 18 может иметь низкую производительность и может, если приемлемо, приводиться в действие электродвигателем.

Установка, показанная на фиг.1, также содержит устройство для сжигания 20 высокого давления выше по потоку, чем вход 8 в компрессорную турбину 7. В этом примере также предусмотрено устройство для сжигания 25 низкого давления, причем в показанном примере ниже по потоку, чем выход 9 из компрессорной турбины 7. В устройствах для сжигания 20, 25 всегда сжигается смесь сжатого воздуха (с присутствующими в нем парами воды) и соответствующего топлива.

Установка также содержит силовую турбину 30 с вращающимся валом 31 для выработки механической энергии, например, для привода электрогенератора 32. Силовая турбина 30 имеет вход 33, который в этом случае соединен с выходом из устройства для сжигания 25 низкого давления и выходом 35 для отходящих газов.

Установка также имеет систему труб для отходящих газов, входной конец 40 которой соединен с выходом 35 для отходящих газов силовой турбины 30.

В этом примере выходной конец канала 13 для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между выходом 9 из компрессорной турбины 7 и входом в устройство для сжигания 25 низкого давления.

Система труб для отходящих газов содержит канал 41 для первичных отходящих газов и канал 42 для вторичных отходящих газов, причем эти два канала 41, 42 соединены с выходом 35 из силовой турбины 30 так, что поток первичных отходящих газов проходит в канал 41 для первичных отходящих газов, и поток вторичных отходящих газов проходит в канал 42 для вторичных отходящих газов.

Предпочтительно, поток первичных отходящих газов больше, чем поток вторичных отходящих газов; например отношение между потоками отходящих газов является приблизительно тем же, что и отношение между потоком первичного воздуха и потоком вторичного воздуха, как описано выше. В первом теплообменнике 50 осуществляется теплообмен между отходящими газами в системе труб отходящих газов и потоком вторичного воздуха, предпочтительно ниже по потоку, чем первые средства 15 для впрыскивания воды.

Во втором теплообменнике 60 осуществляется теплообмен между потоком первичных отходящих газов в первичном канале 41, с одной стороны, и потоком первичного воздуха между компрессором 4 высокого давления и входом в компрессорную турбину 7, с другой стороны. Специалисты в данной области техники этот второй теплообменник 60 часто называют термином «рекуператор».

В третьем теплообменнике 70 осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале 42 для вторичных отходящих газов и потоком вторичного воздуха в канале 13 для вторичного воздуха ниже по потоку, чем первый теплообменник 50.

Выходной конец канала 42 для вторичных отходящих газов соединен с каналом 41 для первичного воздуха ниже по потоку, чем второй теплообменник 60. Первый теплообменник 50 размещен затем ниже по потоку, чем это соединение, так чтобы все отходящие газы проходили через первый теплообменник 50.

В четвертом теплообменнике 80 осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале 42 для вторичных отходящих газов ниже по потоку, чем третий теплообменник 70, с одной стороны, и потоком вторичного воздуха в канале 13 для вторичного воздуха ниже по потоку, чем первый теплообменник 50, с другой стороны.

Первый теплообменник 50 предпочтительно разработан так, чтобы отвести так много тепла, как это возможно, из отходящих газов перед тем, как эти отходящие газы будут удалены.

Если приемлемо, впрыскиваемая вода может быть регенерирована путем впрыскивания воды вблизи выхода из системы труб отходящих газов, причем эта вода собирается вместе с водой, которая была впрыснута ранее.

В показанном варианте выходной конец канала 13 для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между компрессорной турбиной 7 и устройством для сжигания 25 низкого давления.

В качестве варианта, устройство для сжигания низкого давления расположено в канале 13 для вторичного воздуха для того, чтобы сжигать соответствующую смесь вторичного воздуха и топлива. Это может быть достигнуто, например, путем включения устройства для сжигания 25, которое теперь показано в канале 13 для вторичного воздуха пунктирными линиями на фиг.1, хотя очевидно, что также возможны установки со множеством устройств для сжигания низкого давления.

Кроме того, в пятом теплообменнике 90 и шестом теплообменнике 95, которые также предусмотрены в показанной установке, осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале 41 для первичных отходящих газов, с одной стороны, и потоком первичного воздуха между компрессором 4 высокого давления и компрессорной турбиной 7, с другой стороны. В этом случае, если смотреть по направлению потока первичного воздуха, пятый и шестой теплообменники размещены выше по потоку, чем второй теплообменник 60.

Также можно увидеть, что вторые средства 100 для впрыскивания воды предусмотрены с целью впрыскивания воды в поток первичного воздуха между пятым и шестым теплообменниками 90, 95.

Кроме того, установка снабжена третьими средствами 110 для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток первичного воздуха между компрессором 4 высокого давления и шестым теплообменником 95.

В качестве варианта здесь может быть предусмотрено множество компрессорных турбин вместо одной компрессорной турбины, например, таким образом, чтобы компрессорная турбина приводила в действие компрессор низкого давления, и другая компрессорная турбина приводила в действие компрессор высокого давления.

В качестве еще одного варианта возможно, чтобы компрессорная турбина приводила в действие электрогенератор и электродвигатели, которые объединены с электрогенератором, которые должны быть предусмотрены для того, чтобы приводить в действие один или более компрессоров из узла компрессора.

Впрыскивание воды в поток вторичного воздуха и подача тепла, которое было извлечено из отходящих газов, к потоку вторичного воздуха может также производиться другими способами, чем те, которые показаны на чертеже. Например, возможно, чтобы один или более теплообменников были расположены выше по потоку, чем средства для впрыскивания воды, или чтобы средства для впрыскивания воды были расположены в том же месте, что и теплообменник, или чтобы средства для впрыскивания воды были расположены между теплообменниками. Как было упомянуто ранее, впрыскивание воды может производиться различными способами в зависимости от ситуации, например в форме тумана, пара.

Вода, которая должна быть впрыснута, может быть предварительно подогрета с помощью тепла, которое извлекается из отходящих газов, но также с помощью воды, которая извлекается из сжатого воздуха ниже по потоку, чем компрессор.

Охлаждающие средства для охлаждения потока первичного газа выше по потоку, чем компрессор высокого давления, могут быть также разработаны отличными от средств для впрыскивания воды, например, путем введения холодного воздуха или другой охлаждающей среды, или сочетаний различных вариантов. Если приемлемо, можно охлаждать воздух на входе в компрессор низкого давления, или в компрессоре низкого давления, например, если установка расположена в горячей окружающей среде.

Температуры, которые могут преобладать в установке, которая показана на чертеже, перечислены ниже посредством неограничительного примера.

- Воздух, который берет начало от компрессора низкого давления, 130°С.

- Поток первичного воздуха после охлаждения посредством четвертых средств для впрыскивания воды 40°С.

- Поток первичного воздуха на выходе из компрессора высокого давления 165°С.

- Поток первичного воздуха после охлаждения посредством третьих средств для впрыскивания воды 90°С.

- Поток первичного воздуха ниже по потоку, чем рекуператор, 640°С.

- Поток первичного воздуха на выходе из устройства для сжигания высокого давления 850°С.

- Поток первичного воздуха на выходе из компрессорной турбины 620°С.

- Поток воздуха на выходе из устройства для сжигания низкого давления 900°С.

- Поток отходящих газов на выходе из силовой турбины 640°С.

Установка для выработки энергии содержит узел компрессора для сжатия воздуха, имеющий компрессор низкого давления, который соединен с компрессором высокого давления через канал для первичного воздуха. Кроме того, предусмотрен узел компрессорной турбины для привода компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления. Установка также имеет устройство для сжигания, чтобы производить сжигание подходящей смеси сжатого воздуха и топлива, и силовую турбину с вращающимся валом для выделения механической энергии. Система труб для отходящих газов соединена с выходом для отходящих газов из силовой турбины. Установка содержит канал для вторичного воздуха, входной конец которого присоединен между выходом из компрессора низкого давления и входом в компрессор высокого давления таким образом, что из сжатого воздуха, который берет начало от выхода из компрессора низкого давления, поток первичного воздуха проходит через канал для первичного воздуха в компрессор высокого давления, и поток вторичного воздуха проходит в канал для вторичного воздуха. В канале для вторичного воздуха предусмотрены первые средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток вторичного воздуха. Выходной конец канала для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между выходом из узла компрессорной турбины и входом в силовую турбину. 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для выработки энергии, содержащая узел компрессора для сжатия воздуха, содержащий компрессор низкого давления, имеющий вход для воздуха и выход, компрессор высокого давления, имеющий вход и выход, причем выход из компрессора низкого давления соединен со входом компрессора высокого давления посредством канала для первичного воздуха, узел компрессорной турбины для привода компрессора низкого давления и/или компрессора высокого давления, причем этот узел компрессорной турбины содержит одну компрессорную турбину или множество компрессорных турбин, расположенных в ряд, и этот узел компрессорной турбины имеет вход и выход, при этом вход соединен с выходом из компрессора высокого давления, охлаждающие средства для охлаждения воздуха в месте, которое находится выше по потоку, чем выход из компрессора высокого давления, устройство для сжигания, в котором осуществляется сжигание соответствующей смеси сжатого воздуха и топлива, силовую турбину с вращающимся валом для выработки механической энергии, причем силовая турбина имеет вход, который соединен с выходом из узла компрессорной турбины, и выход для отходящих газов, систему труб для отходящих газов, входной конец которой соединен с выходом для отходящих газов силовой турбины, отличающаяся тем, что предусмотрен канал для вторичного воздуха, входной конец которого присоединен между выходом из компрессора низкого давления и входом в компрессор высокого давления таким образом, что из сжатого воздуха, который берет начало от выхода из компрессора низкого давления, поток первичного воздуха проходит через канал для первичного воздуха в компрессор высокого давления, и поток вторичного воздуха проходит в канал для вторичного воздуха, в канале для вторичного воздуха предусмотрены первые средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток вторичного воздуха, выходной конец канала для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между выходом из узла компрессорной турбины и входом в силовую турбину.2. Установка по п.1, в которой вентилятор включен в канал для вторичного воздуха для повышения давления потока вторичного воздуха.3. Установка по п.1 или 2, в которой предусмотрен первый теплообменник, который осуществляет теплообмен между отходящими газами в системе труб для отходящих газов и потоком вторичного воздуха, предпочтительно ниже по потоку, чем первые средства для впрыскивания воды.4. Установка по п.3, в которой система труб для отходящих газов содержит канал для первичных отходящих газов и канал для вторичных отходящих газов, которые соединены с выходом из силовой турбины так, что поток первичных отходящих газов проходит в канал для первичных отходящих газов и поток вторичных отходящих газов проходит в канал для вторичных отходящих газов, в которой предусмотрен второй теплообменник, в котором осуществляется теплообмен между потоком первичных отходящих газов с одной стороны и потоком первичного воздуха между компрессором высокого давления и входом в узел компрессорной турбины с другой стороны, и в которой предусмотрен третий теплообменник, в котором осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале для вторичных отходящих газов и потоком вторичного воздуха в канале для вторичного воздуха.5. Установка по п.4, в которой канал для вторичных отходящих газов соединен посредством выходного конца с каналом для первичных отходящих газов ниже по потоку, чем второй теплообменник, и в которой первый теплообменник расположен ниже по потоку, чем это соединение.6. Установка по п.4 или 5, в которой предусмотрен четвертый теплообменник, в котором осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале для вторичных отходящих газов ниже по потоку, чем третий теплообменник с одной стороны, и потоком вторичного воздуха в канале для вторичного воздуха ниже по потоку, чем первый теплообменник с другой стороны.7. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой устройство для сжигания низкого давления размещено между выходом из узла компрессорной турбины и силовой турбиной.8. Установка по п.7, в которой выходной конец канала для вторичного воздуха соединен с соединительной деталью между узлом компрессорной турбины и устройством для сжигания низкого давления.9. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой устройство для сжигания низкого давления размещено в канале для вторичного воздуха для того, чтобы сжигать соответствующую смесь вторичного воздуха и топлива.10. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой предусмотрены пятый и шестой теплообменники, в которых осуществляется теплообмен между отходящими газами в канале для первичных отходящих газов с одной стороны и потоком первичного воздуха между компрессором высокого давления и узлом компрессорной турбины с другой стороны.11. Установка по п.10, в которой предусмотрены вторые средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток первичного воздуха между пятым и шестым теплообменниками.12. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой предусмотрены третьи средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток первичного воздуха ниже по потоку, чем компрессор высокого давления.13. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой охлаждающие средства для охлаждения потока первичного воздуха между выходом из компрессора низкого давления и входом в компрессор высокого давления предусмотрены как четвертые средства для впрыскивания воды.14. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой устройство для сжигания высокого давления размещено между выходом из компрессора высокого давления и входом в узел компрессорной турбины для того, чтобы сжигать соответствующую смесь, содержащую сжатый воздух и топливо.15. Установка по одному или более из предыдущих пунктов, в которой узел компрессорной турбины включает одну компрессорную турбину, которая расположена на общем валу с компрессором низкого давления и компрессором высокого давления.16. Установка по одному или более из предыдущих пп.1-14, в которой компрессорная турбина приводит в движение электрогенератор и в которой электродвигатели, которые соединены с электрогенератором, предусмотрены для того, чтобы приводить в движение один или более компрессоров из узла компрессора.17. Установка по п.3, в которой предусмотрены пятые средства для впрыскивания воды для того, чтобы впрыскивать воду в поток вторичного воздуха ниже по потоку, чем первый теплообменник, например между третьим и четвертым теплообменниками.