ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА РЕГЕНЕРАТИВНОГО ЦИКЛА С КАТАЛИТИЧЕСКОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК F23R3/40 

Изобретение относится к газотурбинным установкам и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, преимущественно для использования на экологически чистых энергетических и газоперекачивающих предприятиях.

Разработка современных газотурбинных установок (ГТУ) регенеративного цикла, обеспечивающих, как известно, максимальный уровень топливной экономичности, наталкивается на значительные трудности в организации процесса горения в этих установках. Эти трудности вызваны ограничениями на выброс (эмиссию) загрязняющих атмосферу веществ и, прежде всего, наиболее токсичных из нормируемых компонентов продуктов сгорания - оксидов азота. Реализация приемлемых выбросов оксидов азота для традиционных (диффузионных) камер сгорания в ГТУ регенеративного цикла полностью исключена из-за чрезвычайно высокой температуры в зоне химических реакций, реализуемой в этом цикле, а для более современных, например, гомогенных камер сгорания представляет собой чрезвычайно сложную проблему. Эта проблема становится особенно острой, когда необходимо снизить эти выбросы ниже современных нормативных уровней, например, для мини-ГТУ децентрализованного или резервного энергоснабжения, расположенных, как правило, в непосредственной близости от потребителя энергии (жилых домов, больниц и других объектов социальной инфраструктуры).

В этих условиях единственным средством решения проблемы является переход к каталитическим камерам сгорания, обладающих уникальными экологическими характеристиками, в частности, в отношении выбросов оксидов азота. Однако эффективное сжигание топлива в этих камерах возможно лишь при достаточно высокой начальной температуре (700-800 К) топливовоздушной смеси, поступающей в катализатор. При таких условиях, прежде всего, возникает проблема обеспечения запуска газотурбинной установки с каталитической камерой сгорания, в том числе при пониженных температурах воздуха на входе в установку, т.е. в условиях, в которых эффективное каталитическое окисление топлива заведомо исключено, и приходится использовать традиционные способы сжигания топлива. С другой стороны, практическое применение каталитических камер сгорания осложняется тем, что для любого катализатора, в частности, с учетом его термостойкости, для каждого значения начальной температуры, существует определенный диапазон составов топливовоздушной смеси, в котором реализуется эффективное выгорание этой смеси на катализаторе.

Если первое из указанных ограничений сравнительно просто удовлетворяется для стационарных режимов ГТУ регенеративного цикла за счет повышенной температуры воздуха на входе в камеру, то реализация условий, благоприятных для работы катализатора в отношении состава топливовоздушной смеси (уровня конечной температуры каталитического процесса), для тех же стационарных режимов требует принятия специальных мер.

Решению этих проблем применения каталитического окисления топлива в ГТУ посвящено большое число патентов, опубликованных в последние годы.

В качестве аналога заявляемого технического решения принят патент США №6,796,129 от 07.02.2002 г.

В данном патенте для решения проблем запуска ГТУ с каталитической камерой сгорания и обеспечения эффективной работы камеры в широком диапазоне режимов предлагается:

а) использовать для обеспечения запуска и переходных режимов работы ГТУ вспомогательную камеру сгорания обычного типа, расположенную перед собственно каталитической камерой сгорания (последовательное расположение камер);

б) снабдить указанную последовательность камер сгорания дополнительным регулируемым перепуском воздуха из канала подвода воздуха в эти камеры в тракт газотурбинной установки непосредственно перед входом газа в турбину, что позволяет, в частности, поддерживать на различных режимах работы газотурбинной установки оптимальный состав топливовоздушной смеси в каталитическом реакторе.

Недостатком схемы, заявленной в рассматриваемом патенте и предполагающей последовательное расположение обычной камеры сгорания и каталитической камеры, является то, что гидравлические сопротивления этих камер сгорания суммируются даже на режимах, на которых одна из них не используется для сжигания топлива. Тем самым увеличение гидравлического сопротивления вызывает снижение эффективного КПД установки и ухудшение ее экономичности, что является принципиальным недостатком данного технического решения. Последовательное расположение камер является единственно возможным решением для ГТУ простой схемы (без регенератора).

Новые возможности для решения проблем, связанных с применением каталитического окисления топлива, открываются при реализации этого процесса в газотурбинных установках (ГТУ) регенеративного цикла.

В патенте США №6,960,840 от 13.10.2003 г., принятом за прототип, предложена схема регенеративной газотурбинной установки с каталитической камерой сгорания. Схемой предусмотрено размещение за газовой турбиной вспомогательной камеры сгорания, обеспечивающей запуск газотурбинной установки и предварительный разогрев основной каталитической камеры и теплообменника-регенератора. В качестве вспомогательной камеры сгорания предлагается использовать камеру обычного типа или каталитическую камеру (или различные комбинации камер этих двух типов). Запуск установки и ее перевод на режим работы, обеспечивающий эффективное каталитическое окисление топлива, за счет реализации необходимой для этого повышенной температуры воздуха за теплообменником-регенератором и разогрева до этой температуры катализатора, осуществляется при помощи подвода тепла, выделяющегося во вспомогательной камере сгорания, к потоку воздуха за компрессором, осуществляемому в теплообменнике-регенераторе.

Основным недостатком данного технического решения является то, что при его реализации вследствие увеличения гидравлического сопротивления части тракта ГТУ за турбиной ухудшится топливная экономичность установки.

Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности газотурбинных установок (ГТУ) регенеративного цикла с каталитическими камерами сгорания, расширение функциональных возможностей этих установок и повышение надежности работы ГТУ различного назначения.

Результаты достигаются в заявляемом техническом решении размещением собственно каталитической камеры и вспомогательной камеры сгорания обычного типа в каналах разветвленного тракта газотурбинной установки и использованием регулирующего органа, распределяющего поток воздуха между этими каналами, и смесителя, размещенного в месте соединения разветвленных каналов для выравнивания распределения температуры в потоке перед турбиной.

Технический результат достигается в газотурбинной установке регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, содержащей компрессор, турбину, теплообменник-регенератор, каталитическую камеру сгорания, вспомогательную камеру сгорания, соединяющий их газовоздушный тракт, топливную систему и систему автоматического регулирования газотурбинной установки, нагрузку, например электрогенератор, причем согласно изобретению канал газовоздушного тракта между теплообменником-регенератором и турбиной разветвляют на два канала для потока воздуха, в одном из которых размещают каталитическую камеру сгорания, а в другом - вспомогательную камеру сгорания, при этом в месте разветвления канала тракта, перед входами каталитической камеры сгорания и вспомогательной камеры сгорания, установлен регулирующий орган для распределения потока воздуха между ними, управляемый системой автоматического регулирования газотурбинной установки, а на выходе из камер сгорания, в месте соединения разветвленных каналов тракта, установлен смеситель, обеспечивающий выравнивание распределения температуры в потоке перед турбиной.

Повышение эффективности ГТУ - улучшение топливной экономичности, достигается за счет снижения по отношению к известным техническим решениям гидравлических потерь в тракте газотурбинной установки, обеспеченного разделением потока воздуха перед турбиной каталитической камеры сгорания и вспомогательной камеры сгорания.

Такое расположение этих двух камер сгорания позволяет также при работе каждой из них использовать канал неработающей камеры для перепуска с помощью указанного регулирующего органа части воздуха с целью обеспечить оптимальные условия функционирования работающей камеры сгорания.

Последнее обстоятельство расширяет функциональные возможности газотурбинной установки, увеличивая область режимов ее работы с заданными экологическими характеристиками, прежде всего в отношении выброса загрязняющих атмосферу продуктов неполного горения (СО и углеводородов).

Расширению функциональных возможностей и повышению надежности работы ГТУ способствует также предусмотренный заявляемым техническим решением ускоренный выход на заданную мощность при запуске установки с использованием вспомогательной камеры сгорания и отложенном прогреве катализатора. При неблагоприятных условиях для функционирования катализатора (большое запыление воздуха, наличие в воздухе веществ, «отравляющих» катализатор) предложенная схема ГТУ гарантирует надежную реализацию функциональных возможностей газотурбинной установки при сжигании топлива в камере сгорания обычного типа без потерь в топливной экономичности, но с ухудшением экологических характеристик процесса.

На фиг.1 показана схема газотурбинной установки регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, оснащенной расположенными в разветвленных каналах газовоздушного тракта каталитической камерой сгорания и вспомогательной камерой сгорания обычного типа, регулирующим органом, распределяющим поток воздуха между этими камерами, и смесителем для обеспечения выравнивания температуры в потоке.

На фиг.2 схематично показан узел камер сгорания, включающий размещенные в разветвленных каналах каталитическую камеру сгорания и вспомогательную камеру сгорания, узел снабжен регулирующим органом, распределяющим поток воздуха между этими камерами, и смесителем для обеспечения выравнивания температуры в потоке.

Газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, схематично представленная на фиг.1, содержит компрессор (1), турбину (2), теплообменник-регенератор (3), узел (4) камер сгорания, включающий вспомогательную камеру (9) сгорания, каталитическую камеру (10) сгорания, регулирующий орган (12), смеситель (13), нагрузку (5), например электрогенератор, газовоздушный тракт (6).

Узел (4) камер сгорания газотурбинной установки, схематично представленный на фиг.2, содержит каналы (7) и (8), являющиеся разветвлениями тракта (6), между теплообменником-регенератором (3) и турбиной (2), в одном из каналов установлена вспомогательная камера (9) сгорания обычного типа, а в другом - каталитическая камера (10) сгорания, имеющая смеситель (11), обеспечивающий формирование топливовоздушной смеси, регулирующий орган (12), распределяющий поток воздуха между камерами сгорания (9 и 10), а на выходе из камер сгорания (9 и 10), в месте соединения разветвленных каналов (7 и 8), установлен смеситель (13), обеспечивающий выравнивание распределения температуры газа в потоке перед турбиной (2).

Газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания работает следующим образом.

Запуск газотурбинной установки осуществляется от стартера (не показан), с помощью которого ротор ГТУ выводится на заданную частоту вращения. После этого начинается подача и воспламенение топлива во вспомогательной камере (9) сгорания (см. фиг 1). Одновременно с нарастанием температуры газа перед турбиной (2), вызванным тепловыделением в этой камере, растет частота вращения ротора, расход и давление воздуха, поступающего в блок (4) камер сгорания. При этом системой автоматического регулирования ГТУ (не показана) наряду с дозированием расхода топлива осуществляется управление регулирующим органом (12), обеспечивающим оптимальный по расходу воздуха режим работы вспомогательной камеры (9) сгорания. По мере развития этого процесса увеличивается температура газа на выходе из турбины (2), происходит прогрев теплообменника-регенератора (3) и растет подогрев воздуха, поступающего в блок (4) камер сгорания. Этот процесс продолжается до достижения установкой заданной мощности. Одновременно за счет перепуска части воздуха, поступающего из теплообменника-регенератора (3), производится разогрев катализатора. При достижении уровня температуры катализатора, достаточного для осуществления эффективного каталитического окисления топлива, постепенно прекращается подача топлива во вспомогательную камеру (9) сгорания и одновременно начинается подача топлива в смеситель (13) (см. фиг.2) каталитической камеры (10) сгорания. При этом регулирующий орган (12) (см. фиг.2) переводится в положение, которое обеспечивает оптимальный состав топливовоздушной смеси, поступающей на катализатор в каталитическую камеру (10) сгорания. Дальнейшее увеличение мощности установки происходит при осуществлении тепловыделения в процессе каталитического окисления топлива и реализации уникальных экологических характеристик, свойственных этому процессу. Еще раз подчеркнем, что использование регулирующего органа (12) позволяет поддерживать оптимальный состав топливовоздушной смеси в каталитическом процессе. Избыточный для этого процесса воздух перебрасывается через неработающую вспомогательную камеру (9) в смеситель (13) (см. фиг.2), где смешивается с потоком продуктов сгорания, поступающим из каталитической камеры (10).

При снижении мощности установки или ее остановке указанные выше процедуры выполняются в обратном порядке.

Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает работоспособность газотурбинной установки регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания и позволяет реализовать условия для эффективного сжигания топлива в широком диапазоне режимов работы установки при характерных для процесса каталитического окисления топлива уникальных экологических характеристиках в отношении выбросов оксидов азота. Предложенная схема газотурбинной установки регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания позволяет также расширить функциональные возможности газотурбинной установки, обеспечивая ускоренный выход на режим и сохранение работоспособности установки при выходе из строя теплообменника-регенератора.

В отличие от известных технических решений таких результатов удается добиться без ухудшения топливной экономичности газотурбинной установки за счет размещения собственно каталитической камеры и вспомогательной камеры сгорания обычного типа в разветвленных каналах тракта.

Газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания содержит компрессор, турбину, теплообменник-регенератор, каталитическую камеру сгорания, вспомогательную камеру сгорания, соединяющий их газовоздушный тракт, топливную систему, систему автоматического регулирования газотурбинной установки и нагрузку, например электрогенератор. Канал газовоздушного тракта между теплообменником-регенератором и турбиной разветвляют на два канала для потока воздуха, в одном из которых размещают каталитическую камеру сгорания, а в другом - вспомогательную камеру сгорания. В месте разветвления канала тракта перед входами каталитической камеры сгорания и вспомогательной камеры сгорания установлен регулирующий орган для распределения потока воздуха между ними, управляемый системой автоматического регулирования газотурбинной установки. На выходе из камер сгорания, в месте соединения разветвленных каналов тракта, установлен смеситель, обеспечивающий выравнивание распределения температуры в потоке перед турбиной. Изобретение направлено на улучшение топливной экономичности, расширение функциональных возможностей газотурбинной установки, обеспечение ускоренного выхода на режим и сохранение работоспособности установки при выходе из строя теплообменника-регенератора, повышение надежности ее работы. 2 ил.

Газотурбинная установка регенеративного цикла с каталитической камерой сгорания, содержащая компрессор, турбину, теплообменник-регенератор, каталитическую камеру сгорания, вспомогательную камеру сгорания, соединяющий их газовоздушный тракт, топливную систему, систему автоматического регулирования газотурбинной установки и нагрузку, например электрогенератор, отличающаяся тем, что канал газовоздушного тракта между теплообменником-регенератором и турбиной разветвляют на два канала для потока воздуха, в одном из которых размещают каталитическую камеру сгорания, а в другом - вспомогательную камеру сгорания, при этом в месте разветвления канала тракта, перед входами каталитической камеры сгорания и вспомогательной камеры сгорания установлен регулирующий орган для распределения потока воздуха между ними, управляемый системой автоматического регулирования газотурбинной установки, а на выходе из камер сгорания, в месте соединения разветвленных каналов тракта, установлен смеситель, обеспечивающий выравнивание распределения температуры в потоке перед турбиной.