ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, СЖАТОГО ВОЗДУХА И МЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА ОБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F02C6/08 

Изобретение относится к области газотурбинной техники, а именно к установкам для производства электроэнергии, сжатого воздуха для технологических целей и механического привода оборудования, например насосов. Газотурбинная установка может быть использована, например, для эксплуатации предприятиями нефтегазодобывающего комплекса, аварийными службами и в прочих областях, где есть необходимость в мобильных источниках механической мощности, электроэнергии и сжатого воздуха.

Известны вспомогательные газотурбинные двигатели, применяемые главным образом в авиации, для снабжения электроэнергией бортовых потребителей. Такие двигатели имеют различные конструктивные схемы, но выполнены таким образом, чтобы обеспечивать потребителей сжатым воздухом и электроэнергией. Также известны технические решения на базе этих двигателей для наземного применения, например [1].

Известен [2] опытный образец мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика», выполненный в виде установленного на автомобильном шасси малогабаритного вспомогательного газотурбинного двигателя ТА6А, обеспечивающего одновременное производство электрической энергии (до 40 кВ·А) и сжатого воздуха (до 1,35 кг/с, при давлении 3,5-3,9 кПа и температуре 205-245°C). Мобильный энергетический комплекс также позволяет использовать выхлопные газы (до 6 кг/с, при температуре 400-500°С). Данные характеристики достигаются при расходе жидкого топлива типа авиационного керосина до 240 кг/ч.

Возможно использование известных установок [1], в т.ч. известного мобильного энергетического комплекса [2], для привода различного оборудования, например насосов, Для этого в состав установки или используемого оборудования должен дополнительно входить электродвигатель, питание которого электроэнергией осуществляется от генератора вспомогательного газотурбинного двигателя.

Недостатками известного энергетического комплекса [2] и других аналогичных установок являются относительно низкая мощность приводимого оборудования, например насосов, и крайне высокий удельный расход топлива на единицу мощности данного оборудования (порядка 6 кг/(кВт·ч)). Другим недостатком также является отсутствие возможности значительного увеличения мощности в условиях, когда нет потребности в отборе сжатого воздуха (без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя). При этом при эксплуатации приводимого оборудования вырабатываемый сжатый воздух может не использоваться. В то же время при использовании электроэнергии для привода оборудования она практически не отпускается прочим потребителям.

Целью изобретения является обеспечение возможности производства газотурбинной установкой сжатого воздуха и незначительного количества электроэнергии для собственных нужд и внешних потребителей, либо механического привода оборудования относительно большой мощности и производства незначительного количества электроэнергии для собственных нужд и внешних потребителей при незначительном или нулевом расходе сжатого воздуха, либо совместного производства электроэнергии и сжатого воздуха и механического привода оборудования относительно большой мощности, по необходимости, без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинного двигателя установки в условиях эксплуатации.

Указанная цель достигается тем, что установка выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха, выполненного в виде вспомогательного газотурбинного двигателя, и модуля турбопривода со вспомогательными системами модулей, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха. Узел распределения сжатого воздуха выполнен таким образом, чтобы осуществлять дискретное или плавное распределение сжатого воздуха между внешним потребителем или внешней сетью и модулем турбопривода. Для повышения мобильности и обеспечения многофункциональности установки узел распределения сжатого воздуха может быть выполнен быстроразъемным, а функциональные модули генератора сжатого воздуха и турбопривода со вспомогательными системами модулей установлены на отдельных шасси. Модуль турбопривода выполнен в виде воздушной турбины и выходного вала с кинематической связью между ними, и, при необходимости, между воздушной турбиной и выходным валом может быть установлен редуктор, причем редуктор может быть сменным или допускать регулирование передаточного отношения.

На фиг.1 приведена принципиальная схема простейшей газотурбинной установки для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования с редуктором турбопривода, на фиг.2 - схема газотурбинной установки с редуктором турбопривода и с регенерацией тепла выхлопных газов вспомогательного газотурбинного двигателя.

Газотурбинная установка для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования (фиг.1) выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха 1 и модуля турбопривода 2, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха 3. Между узлом распределения сжатого воздуха 3 и модулем турбогенератора 2 также может быть расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2).

Модуль генератора сжатого воздуха 1 выполнен в виде вспомогательного газотурбинного двигателя авиационного типа со вспомогательными системами. В составе модуля 1 могут быть использованы, например, двигатель ТА6А разработки НПО «Аэросила», применяемый в составе мобильного энергетического комплекса ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2], или более мощный двигатель ВСУ-10 разработки ОАО «Омское моторостроительное конструкторское бюро» [3], обеспечивающий одновременное производство электрической энергии (до 40-60 кВ·А) и сжатого воздуха (до 3,5 кг/с, при давлении 4,5-4,65 кПа и температуре 210-215°C), либо другие аналогичные двигатели. Газотурбинный двигатель модуля 1 может быть выполнен для работы на жидком углеводородном топливе или в многотопливном исполнении (на жидком и газообразном углеводородном топливе).

Модуль турбопривода 2 содержит выходной вал 5 с соединительной муфтой и воздушную турбину 6, между которыми существует кинематическая связь, например, через общий вал. Между воздушной турбиной 6 и выходным валом 5 может быть установлен редуктор 7, причем редуктор может быть сменным или допускать регулирование передаточного отношения для обеспечения частоты вращения выходного вала 5, необходимой для механического привода применяемого оборудования, например насоса.

Узел распределения сжатого воздуха 3 выполнен таким образом, что обеспечивает дискретное или плавное изменение расхода сжатого воздуха при положениях заслонки от полностью открытого («откр.» на фиг.1, 2), когда весь расход воздуха направляется от модуля 1 к модулю 2, до полностью закрытого («закр.» на фиг.1, 2), весь расход воздуха направляется от модуля 1 к внешнему потребителю или во внешнюю сеть.

Между узлом распределения воздуха 3 и модулем 2 может быть расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2).

Газотурбинная установка работает следующим образом. В газотурбинный двигатель модуля 1 подается топливо, за счет сгорания которого обеспечивается работа двигателя. При этом встроенным генератором двигателя вырабатывается электроэнергия мощностью 40-60 кВ·А, используемая для собственных нужд газотурбинной установки, а также для внешних потребителей. Газотурбинным двигателем модуля 1 за счет отбора воздуха от основного компрессора двигателя или за счет работы вспомогательного приводного компрессора в зависимости от конструктивной схемы двигателя осуществляется подача сжатого воздуха в узел распределения 3. Выхлопные газы от газотурбинного двигателя отводятся за пределы модуля 1, а также могут быть направлены во внешнее теплофикационное устройство или теплофикационную сеть или использованы в газо-воздушном теплообменнике 4 (фиг.2) для предварительного подогрева воздуха перед воздушной турбиной 6 модуля 2.

При полностью открытой заслонке узла распределения 3 («откр.» на фиг.1, 2) весь расход воздуха направляется от модуля 1 к модулю 2.

Сжатый воздух, поступающий из узла распределения 3, приводит в действие воздушную турбину 6, от которой осуществляется вращение выходного вала 5 через редуктор 7. От вала 5 через соединительную муфту осуществляется механический привод оборудования. Отработанный воздух из турбины 6 выводится в атмосферу за пределы модуля 2. Если между узлом распределения сжатого воздуха 3 и модулем турбопривода 2 дополнительно расположен газовоздушный теплообменник 4 (фиг.2), возможно повышение КПД турбопривода за счет предварительного подогрева сжатого воздуха, поступающего в модуль 2 от узла распределения 3, выхлопными газами от газотурбинного двигателя модуля 1. Сжатый воздух внешним потребителям не подается, и газотурбинная установка работает в режиме механического привода при незначительном производстве электроэнергии.

При полностью закрытой заслонке узла распределения 3 («закр.» на фиг.1, 2) весь расход воздуха направляется от модуля 1 к внешнему потребителю или во внешнюю сеть, в модуль 2 воздух не поступает. Турбина 6 не работает и механический привод не производится. Газотурбинная установка работает в режиме производства сжатого воздуха, который подается внешним потребителям, при незначительном производстве электроэнергии.

При частично закрытой заслонке узла распределения 3 газотурбинная установка работает в режиме совместного производства электроэнергии и сжатого воздуха и механического привода

Если предполагается использование газотурбинной установки для работ, предполагающих производство только сжатого воздуха (например, для продувки участков трубопроводов после ремонтных работ), возможно отделение модуля 1 от модуля 2 по быстроразъемному стыку распределительного узла 3 и его перемещение к месту эксплуатации на отдельном автономном шасси. Модуль 1 работает аналогично известному мобильному энергетическому комплексу ФГУП «Уфимское агрегатное предприятие «Гидравлика» [2]. После завершения таких работ снова производится сборка установки.

Предлагаемая схема газотурбинной установки для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования обеспечивает ее многофункциональность и гибкость в выборе режимов работы.

Воздушная турбина и редукторы модуля турбопривода могут быть изготовлены на базе турбин и редукторов серийных изделий после соответствующей конструктивной доводки.

Источники информации

1. Омскому моторостроительному конструкторскому бюро - 50 лет. - Омск, 2006 г. - 208 с., стр.105.

2. В Уфе изготовлен опытный образец мобильного энергетического комплекса на базе малогабаритного ГТД / Рынок электротехники, №3, 2006 г., стр.10 (прототип).

3. Двигатели 1994-2000: авиационные, ракетные, морские, наземные. - М.: ООО «АКС-Конверсия», 2000 г. - 434 с., стр.125.

Газотурбинная установка для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха, выполненного в виде вспомогательного газотурбинного двигателя, и модуля турбопривода со вспомогательными системами модулей, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха. Узел распределения сжатого воздуха выполнен таким образом, чтобы осуществлять дискретное или плавное распределение сжатого воздуха между внешним потребителем или внешней сетью и модулем турбопривода. Изобретение позволяет получать сжатый воздух и электроэнергию, либо осуществлять привод механического оборудования и производство электроэнергии, либо совместно осуществлять получение сжатого воздуха без выполнения работ по изменению конструкции газотурбинной установки в условиях эксплуатации. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газотурбинная установка для производства электроэнергии, сжатого воздуха и механического привода оборудования, отличающаяся тем, что выполнена в виде двух функциональных модулей: модуля генератора сжатого воздуха, выполненного в виде вспомогательного газотурбинного двигателя, и модуля турбопривода со вспомогательными системами модулей, соединенных регулируемым узлом распределения сжатого воздуха, и узел распределения сжатого воздуха выполнен таким образом, чтобы осуществлять дискретное или плавное распределение сжатого воздуха между внешним потребителем или внешней сетью и модулем турбопривода.2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что модуль турбопривода выполнен в виде воздушной турбины и выходного вала с кинематической связью между ними.3. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что между воздушной турбиной и выходным валом установлен редуктор.4. Газотурбинная установка по п.3, отличающаяся тем, что редуктор выполнен таким образом, что допускает регулирование передаточного отношения.5. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что между узлом распределения сжатого воздуха и модулем турбопривода расположен газовоздушный теплообменник, выполненный таким образом, чтобы в теплообменнике осуществлялся подогрев воздуха, поступающего из узла распределения сжатого воздуха к модулю турбопривода, выхлопными газами, отводимыми из модуля генератора сжатого воздуха.6. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что узел распределения сжатого воздуха выполнен быстроразъемным.7. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что функциональные модули генератора сжатого воздуха и турбопривода со вспомогательными системами модулей установлены на отдельных шасси.