СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОТУРБОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2012 года по МПК F02C3/34 F01K23/10 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях с комбинированным парогазовым циклом.

Известен способ работы газотурбоэлектрогенератора путем компрессии воздушного и топливного потоков с последующим их вводом в камеру сгорания, сжиганием с получением высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, декомпрессией последних в газовой турбине и вывода конечных продуктов сгорания на котел (Я.И.Шнеэ. Газовые турбины. М.: Машгиз, 1960. - с.533-534). Недостатки этого способа работы газотурбэлектрогенератора - низкая надежность элементов камеры сгорания и газовой турбины, работающих в условиях высоких тепловых напряжений и температуры. Для снижения температуры в камере сгорания в последнюю вводят избыточное количество воздуха, что влечет большой перерасход электроэнергии на компрессию и снижает КПД газотурбинного цикла. Кроме того, высока концентрация оксидов азота за котлом.

Известен также способ работы газотурбоэлектрогенератора путем компрессии воздушного и топливного потоков с последующими их вводом в камеру сгорания, сжиганием с получением высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, декомпрессией последних в газовой турбине и вывода конечных продуктов сгорания на котел. Особенностью способа является организация защиты элементов камеры сгорания и газовой турбины от высоких тепловых потоков и температуры продуктов сгорания впрыском воды в камеру сгорания (патент РФ №2028541; F23С 11/00 от 10.10.89 г.; БИ №4, 1995 г.). Сохраняются недостатки, связанные с большим перерасходом электроэнергии на компрессию воздуха и высокой концентрацией оксидов азота за котлом.

Известен также способ работы газотурбоэлектрогенератора путем организации компрессии воздушного и топливного потоков с последующими их вводом в камеру сгорания, сжиганием с получением высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, декомпрессией последних в газовой турбине и вывода из газовой турбины конечных продуктов сгорания на котел с газоходом системы газовой рециркуляции между его дымоходом и топкой. Для снижения концентрации оксидов азота с отводимыми в атмосферу дымовыми газами на котле организуют рециркуляцию части дымовых газов - его собственных продуктов сгорания (Освоение и исследование опытно-промышленного котла БКЗ-500-140-1 с тангенциальной топкой для низкотемпературного сжигания канскоачинских углей / М.Я.Процайло, Ю.Л.Маршак, М.С.Пронин и др. // Теплоэнергетика, №1, 1988. - С.5-12). Недостатки способа - большие расходы электроэнергии на компрессию воздуха и рециркуляцию дымовых газов на котле, а также невысокая надежность элементов камеры сгорания и газовой турбины, работающих в условиях высоких тепловых напряжений и температуры.

Известен также способ работы газотурбоэлектрогенератора путем последовательных компрессии воздушного и топливного потоков, ввода в камеру сгорания, сжигания, декомпрессии полученных высокотемпературных газообразных продуктов сгорания в газовой турбине, вывода из газовой турбины и разделения конечных продуктов сгорания на два потока с подачей одного из них в котел с газоходом системы газовой рециркуляции между его дымоходом и топкой, другого - на охлаждение и возврат в камеру сгорания (Б.В.Сазанов. Тепловые электрические станции. М.: Энергия, 1974. - С.126-127). Недостаток способа - большие расходы электроэнергии на компрессию воздуха и работу систем газовой рециркуляции котла, высокая концентрация оксидов азота за котлом.

Известен способ работы газотурбоэлектрогенератора путем камерного сжигания природного газа под давлением в среде углекислого газа и кислорода с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, газотурбинной декомпрессии образованных высокотемпературных продуктов сгорания с получением и разделением на два потока декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания, подачей одного потока в газоход котла, а другого - в газоход рециркулирующих газообразных продуктов сгорания для охлаждения и поддержания режима камерного сжигания (патент РФ №2310765; F02С 3/34; F02С 6/02 от 26.04.06 г.; БИ №32, 2007 г.). Недостаток способа - большие потери хладагента и электроэнергии на его выработку при охлаждении возвращаемых в процесс горения рециркулирующих газообразных продуктов сгорания.

Известен наиболее близкий способ работы газотурбоэлектрогенератора путем путем смешения атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, компрессии топлива и полученной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, камерного сжигания топлива под давлением в среде полученной компрессионной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими продуктами сгорания с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, газотурбинной декомпрессии образованных высокотемпературных продуктов сгорания с получением и разделением на два потока декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания, подачей одного потока в газоход котла, а другого - в газоход рециркулирующих газообразных продуктов сгорания для охлаждения и смешения с атмосферным воздухом перед компрессией (авторское свидетельство СССР №1744290, МПК F02С 3/34 от 30.06.92 г.; БИ №24 от 30.06.92 г.). Недостаток способа - значительный расход электроэнергии на компрессию смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания.

Задачей настоящего изобретения является снижение расхода электроэнергии на компрессию смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания.

Задача решается при реализации способа работы газотурбоэлектрогенератора путем смешения атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, компрессии топлива и полученной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, камерного сжигания топлива под давлением в среде полученной компрессионной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими продуктами сгорания с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, газотурбинной декомпрессии образованных высокотемпературных продуктов сгорания с получением и разделением на два потока декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания, подачей одного потока в газоход котла, а другого - в газоход рециркулирующих газообразных продуктов сгорания для охлаждения и смешения с атмосферным воздухом перед компрессией, в котором, согласно изобретению, атмосферный воздух перед компрессией также охлаждают, а охлаждение рециркулирующих газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха производят вырабатываемым в турбодетандере и циркулирующим по замкнутому контуру хладагентом.

Охлаждением атмосферного воздуха и рециркулирующих газообразных продуктов сгорания низкотемпературным хладагентом достигается снижение их удельных объемов, что вызывает и снижение расхода электроэнергии на компрессию смеси атмосферного воздуха и рециркулирующих газообразных продуктов сгорания в сравнении с ближайшим аналогом и этим решает поставленную задачу. Использование турбодетандера с установкой на валу электрогенератора для получения хладагента позволяет осуществлять дополнительную выработку электроэнергии и снижать ее общие затраты на собственные нужды, в том числе на компрессию.

Способ работы газотурбоэлектрогенератора реализуется в парогазовой установке, принципиальная схема которой представлена на чертеже.

Установка содержит газотурбоэлектрогенератор 1 с компрессором 2, камерой сгорания 3, газовой турбиной 4, электрогенератором 5 и паротурбоэлектрогенератор 6 с паровым котлом 7, паровой турбиной 8, электрогенератором 9. Котел 7 оснащен газоходом 10 системы газовой рециркуляции с вентилятором 11, отсекающим клапаном 12, а также топкой 13 с системами подачи газа 14 и воздуха 15. Газотурбоэлектрогенератор 1 имеет магистраль отводимых декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания 16 с отводами 17 к котлу 7 и 18 к компрессору 2; отводы 17, 18 имеют перераспределительные клапаны 19, 20 соответственно; магистраль 17 подключена к газоходу системы газовой рециркуляции 10 котла 7; магистраль 18 подключена к воздуховоду 21 с регулирующим клапаном 22 на всас вентилятору 23 перед компрессором 2; кроме того, газотурбоэлектрогенератор имеет низкотемпературную систему охлаждения 24 с основным газоохладителем 25 на отводе 18, турбодетандером 26, электрогенератором 27, системой конденсации 28, нагнетателем 29, дополнительным воздухоохладителем 30 на воздуховоде 21.

Предлагаемый способ работы газотурбоэлектрогенератора осуществляется путем организации компрессии в компрессоре 2 смеси атмосферного воздуха 31 из воздуховода 21 и рециркулирующей части декомпрессионных газообразных продуктов сгорания 32 из отвода 18 через вентилятор 23, а также компрессии потока топлива в топливном компрессоре 33, поступающего из внешнего газопровода (на схеме не показан). Поступающие после компрессии в компрессорах 2, 33 компрессионная смесь 34 атмосферного воздуха и рециркулирующей части газообразных продуктов сгорания и топлива 35 направляются в камеру сгорания 3, где организуется камерное сжигание топлива с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания 36. Продукты 36 поступают на декомпрессию в газовую турбину 4, преобразуя поступательное движение входящего потока 36 во вращательное, продукты 36 раскручивают вал 37 турбины 4 с лопатками 38; на валу 37 размещены компрессор 2 и электрогенератор 5, вырабатывающий электроэнергию. Из турбины 4 декомпрессионные неохлажденные газообразные продукты сгорания 39 отводятся в магистраль 16, затем делятся на два потока 40 и 32 с подачей потока 40 на котел 7 взамен потока 41 рециркулирующих газообразных продуктов сгорания, а потока 32 для охлаждения в газоохладитель 25 и возврата в камеру сгорания 3. При этом на котле 7 поток продуктов сгорания 40 от газовой турбины 4 направляют в газоход 10 системы газовой рециркуляции, для чего на котле 7 отключают вентилятор 11 и перекрывают клапан 12, а клапан 19 магистрали 17 открывают. Элементы газохода 10 системы газовой рециркуляции с вентилятором 11 резервируют и включают в работу при ревизиях и ремонтах оборудования газотурбоэлектрогенератора 1. Работа паротурбоэлектрогенератора 6 поддерживается подачей в топку 13 котла 7 потоков газа 42 и воздуха 43 из систем подачи 14, 15, организацией факельного горения с получением высокотемпературных газообразных продуктов 44. При движении продуктов 44 в котле 7 происходит теплообмен с циркулирующей в нагревательных элементах 45 котла 7 пароводяной средой. Выходящий из котла 7 поток пара 46 по паропроводу 47 направляют в паровую турбину 8, где он раскручивает вал 48 с лопатками 49. На валу 48 размещен электрогенератор 9, вырабатывающий электроэнергию. Отработанный пар после турбины 8 в виде конденсата 50 направляют в котел 7. Для повышения эффективности компрессионного процесса в компрессоре 2 подаваемые на всас вентилятора 23 потоки атмосферного воздуха 31 и рециркулирующей части декомпрессионных газообразных продуктов сгорания 32 охлаждают в низкотемпературных охладителях 30 и 25 соответственно, в которых циркулирует вырабатываемый турбодетандером 26 хладагент; установленный на валу 51 турбодетандера 26 электрогенератор 27 вырабатывает электроэнергию, расходуемую на привод нагнетателя 29. Охлажденная газовоздушная смесь 52 из охлажденных потоков 53, 54 атмосферного воздуха и рециркулирующей части декомпрессионных газообразных продуктов сгорания соответственно имеет низкие значения удельного объема и повышенную плотность, что минимизирует потребность энергозатрат на компрессию в компрессоре 2. Отбор рециркулирующих газообразных продуктов сгорания 41 в газоход 10 организуют из собственного дымохода 55 котла 7. Из дымохода 55 в атмосферу через дымовую трубу (на схеме не показана) выводится общий охлажденный поток 56 продуктов сгорания. Охлаждением атмосферного воздуха и рециркулирующих газообразных продуктов сгорания низкотемпературным хладагентом достигается снижение их удельных объемов, что вызывает и снижение расхода электроэнергии на компрессию смеси атмосферного воздуха и рециркулирующих газообразных продуктов сгорания в сравнении с ближайшим аналогом и этим решает поставленную задачу изобретения. Использование турбодетандера с установкой на валу электрогенератора для получения хладагента позволяет осуществлять дополнительную выработку электроэнергии и снижать ее общие затраты на собственные нужды, в том числе на компрессию, что также способствует решению задачи изобретения.

При реализации способа в камеру сгорания 3 газотурбоэлектрогенератора 1 через элементы 33, 35 можно подавать как газообразное, так и дизельное топливо, а на котел 7 через элементы 14 вводить газ, мазут или угольную пыль.

Положительный технический эффект, связанный с использованием изобретения, реализуется в установках 1, 6 при оснащении низкотемпературной системой 24 выработки хладагента с турбодетандерами. В сравнении с аналогами обеспечивается снижение затрат на собственные нужды и выигрыш в КПД, при этом поддерживается низкий уровень концентрации оксидов азота в дымовых газах 56, выводимых из котла 7 в атмосферу.

Способ работы газотурбоэлектрогенератора путем смешения атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания. Топливо и полученная смесь атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания сжимается. Производится камерное сжигание топлива под давлением в среде полученной компрессионной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими продуктами сгорания с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания. Образованные высокотемпературные продукты сгорания подвергаются газотурбинной декомпрессии с получением и разделением на два потока декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания. Один поток подается в газоход котла. Другой - в газоход рециркулирующих газообразных продуктов сгорания для охлаждения и смешения с атмосферным воздухом перед компрессией. Атмосферный воздух перед компрессией также охлаждают. Охлаждение рециркулирующих газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха производят вырабатываемым в турбодетандере и циркулирующим по замкнутому контуру хладагентом. Обеспечивается снижение затрат на собственные нужды и выигрыш в КПД, при этом поддерживается низкий уровень концентрации оксидов азота в дымовых газах, выводимых из котла в атмосферу. 1 ил.

Способ работы газотурбоэлектрогенератора путем смешения атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, компрессии топлива и полученной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими газообразными продуктами сгорания, камерного сжигания топлива под давлением в среде полученной компрессионной смеси атмосферного воздуха с охлажденными рециркулирующими продуктами сгорания с образованием высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, газотурбинной декомпрессии образованных высокотемпературных продуктов сгорания с получением и разделением на два потока декомпрессионных неохлажденных газообразных продуктов сгорания, подачей одного потока в газоход котла, а другого в газоход рециркулирующих газообразных продуктов сгорания для охлаждения и смешения с атмосферным воздухом перед компрессией, отличающийся тем, что атмосферный воздух перед компрессией также охлаждают, а охлаждение рециркулирующих газообразных продуктов сгорания и атмосферного воздуха производят вырабатываемым в турбодетандере и циркулирующим по замкнутому контуру хладагентом.