ПАРОГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2014 года по МПК F01K21/04 F01K23/10 

Изобретение относится к теплоэнергетике.

Известна тепловая машина (патент RU 2269668 C1, 2006), в которой показана принципиальная возможность повышения эффективного коэффициента полезного действия (кпд) двигателя внутреннего сгорания до 60% и более. Недостатком машины является невозможность ее практической реализации вследствие несоразмерно больших размеров теплообменных устройств.

Известна парогазотурбинная установка (патент RU 2272916 C2, 2006), содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-испаритель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора и соединенный с одной стороны с источником воды, а с другой - с камерой смешения. Парогазотурбинная установка (ПГТУ) позволяет иметь эффективный кпд ~ 50%. Недостатком схемы является то, что энергия, затраченная на парообразование, рассеивается в атмосфере.

Целью изобретения является устранение указанного недостатка.

Сущность изобретения заключается в том, что повышение эффективного кпд является следствием использования в ПГТУ двух внутренних термодинамических циклов Ренкина, кпд которых в составе тепловой машины стремится к единице (Письменный В.Л. Внутренние термодинамические циклы // Конверсия в машиностроении, 2006, №3. С.5-10).

Поставленная цель достигается тем, что в ПГТУ, содержащей входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-испаритель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора и соединенный с одной стороны с источником воды, а с другой стороны - с камерой смешения, дополнительно установлены: теплообменник-нагреватель, паровая турбина, теплообменник-конденсатор и насос. При этом теплообменник-нагреватель установлен в канале выходного устройства за теплообменником-испарителем и закольцован с паровой турбиной, теплообменником-конденсатором и насосом так, что входной ресивер турбины соединен с выходом из теплообменника-нагревателя; выходной ресивер турбины через канал низкого давления теплообменника-конденсатора соединен с входом в насос, выход из которого соединен с входом в теплообменник-нагреватель. Внутри закольцованной системы циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно, имеющая температуру кипения менее 100°C. Вода в теплообменник-испаритель подается через канал высокого давления теплообменника-конденсатора.

В качестве легкоиспаряющейся жидкости предпочтительно использовать этиловый спирт.

Предпочтительно иметь следующие параметры ПГТУ: температура газа в камере сгорания более 2500 К; степень повышения давления в компрессоре более 40; давление на выходе из паровой турбины менее 0,1 МПа.

Для обеспечения условий конденсации легкоиспаряющейся жидкости (при пониженных расходах воды) на выходе из теплообменника-конденсатора целесообразно установить кран кольцевания, обеспечивающий дополнительную циркуляцию воды в указанном теплообменнике.

Для повышения эффективного кпд ПГТУ в магистрали между теплообменником-испарителем и камерой смешения целесообразно установить паровую турбину высокого давления с давлением пара на входе более 10 МПа.

На фиг.1 изображена схема ПГТУ;

на фиг.2 изображен эквивалентный термодинамический цикл ПГТУ;

на фиг.3 изображена зависимость термического кпд ПГТУ от рабочих температур;

на фиг.4 изображена схема ПГТУ.

Парогазотурбинная установка (фиг.1) состоит из входного устройства 1, компрессора 2, камеры сгорания 3, камеры смешения 4, турбины привода компрессора 5, выходного устройства 6, теплообменника-испарителя 7, насоса высокого давления 8, теплообменника-нагревателя 9, паровой турбины 10, теплообменника-конденсатора 11, насоса 12, электрогенераторов 13. Теплообменник-испаритель 7 расположен в канале выходного устройства за турбиной 5. В том же канале за теплообменником-испарителем 7 расположен теплообменник-нагреватель 9. Входной ресивер паровой турбины 10 соединен с выходом из теплообменника-нагревателя 9; выходной ресивер турбины через канал низкого давления теплообменника-конденсатора 11 соединен с входом в насос 12, выход из которого соединен с входом в теплообменник-нагреватель 9. Внутри закольцованной системы циркулирует жидкость (этиловый спирт), переходящая в пар и обратно. Вода в теплообменник-испаритель 7 подается насосом высокого давления 8 через теплообменник-конденсатор 11.

Работа установки осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух через канал 1 поступает в компрессор 2 для сжатия. Сжатый до заданного давления воздух (степень сжатия ~ 40) непрерывным потоком подается в камеру сгорания 3, куда одновременно через форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо. Температура газа в камере сгорания 2500÷2700 К.

Из камеры сгорания 3 горячий газ направляется в камеру смешения 4, куда одновременно направляется перегретый пар из теплообменника-испарителя 7. В камере смешения 4 горячий газ и перегретый пар перемешиваются, в результате чего температура рабочего тела понижается до значений, допустимых по условиям прочности лопаток турбины (1600÷2100 К), а энтальпия рабочего тела возрастает.

Из камеры смешения 4 рабочее тело (смесь пара с газом) поступает в турбину 5, которая совершает полезную работу, затрачиваемую на привод компрессора и электрогенератора. После турбины рабочее тело отдает значительную часть своей энергии воде, которая под действием насоса 8 движется внутри теплообменника-испарителя 7. В теплообменнике-испарителе вода превращается в перегретый пар, который поступает в камеру смешения 4, а рабочее тело (смесь пара с газом) - в теплообменник-нагреватель 9, внутри которого под давлением ~ 0,19 МПа при температуре ~ 50°C циркулирует жидкость - этиловый спирт.

В результате теплообмена спирт нагревается до температуры более 95°C, превращаясь в перегретый пар (температура кипения спирта при указанном выше давлении ~ 95°C), а продукты сгорания охлаждаются до температуры менее 95°C, при которой водяной пар, находящийся в рабочем теле, превращается в конденсат (между спиртом и водой происходит обмен энергиями парообразования). Продукты сгорания (вместе с конденсатом) удаляются в атмосферу.

Перегретые пары спирта из теплообменника-нагревателя 9 поступают в турбину 10. В турбине давление и температура пара понижаются. Турбина совершает полезную работу, которая преобразуется в электрическую энергию в электрогенераторе 13. Давление за турбиной менее 0,1 МПа (выбирается из условия, при котором пар остается сухим). Из турбины пар поступает в канал низкого давления теплообменника 11 (выходной ресивер турбины). За счет теплообмена между паром и водой, циркулирующей по каналу высокого давления теплообменника 11, пар конденсируется (превращается в жидкий спирт) и охлаждается ~ до 50°C. Из теплообменника 11 жидкий спирт откачивается насосом 12, который поддерживает заданный перепад давлений на турбине 10.

На фиг.2 в T-S координатах показан эквивалентный термодинамический цикл ПГТУ - цикл условной тепловой машины, полезная работа которой при тех же затратах энергии равна полезной работе ПГТУ. Буквами обозначены состояния рабочего тела: н - наружный воздух, к - за компрессором, кс - на выходе из камеры сгорания, с - на выходе из выходного устройства.

Термический кпд цикла (фиг.2) соответствует к.п.д. ПГТУ и определяется как

На фиг.3 показана графическая интерпретация данной зависимости при Tн=288 К и Tк=1000 К.

Для реальной ПГТУ максимальная температура газа в камере сгорания Tкс составляет ~ 2500 К, а приведенная температура рабочего тела Tс (с учетом теплоты, уносимой водой) ~ 400÷600 К. Таким образом, термический кпд ПГТУ составляет η_t=0,75÷0.8.

Для того чтобы термический кпд ПГТУ приблизить к его максимальному значению η_t~0,8, необходимо максимально (при прочих равных условиях) понизить приведенную температуру рабочего тела Тс на выходе из установки.

Приведенная температура рабочего тела на выходе из ПГТУ главным образом определяется температурой рабочего тела Tс_рт и относительным (по отношению к расходу воздуха) расходом воды m:

Эта задача решается, если в магистрали между теплообменником-испарителем 7 и камерой смешения 4 (фиг.4) установить паровую турбину высокого давления 14 с давлением пара на входе более 10 МПа, которое создается насосом 8.

В этом случае часть тепловой энергии пара, выходящего из теплообменника-испарителя 7, будет преобразована (в турбине 14) в механическую работу, а затем - в электрическую энергию в электрогенераторе 13. Температура рабочего тела перед турбиной 5 в этом случае (при прочих равных условиях) понизится, так как понизится температура пара, поступающего в камеру смешения 4, а следовательно, понизится и физическая (приведенная) температура рабочего тела на выходе из установки.

Для обеспечения условий совместной работы теплообменников 7, 8, 11 (на всех режимах работы ПГТУ) на выходе из теплообменника-конденсатора 11 устанавливается кран кольцевания 15 (фиг.4), обеспечивающий дополнительную циркуляцию воды в указанном теплообменнике.

Положительным результатом предлагаемого технического решения следует считать повышение эффективного кпд ПГТУ до 70÷75%, что является следствием роста термического кпд до 75÷80% при внутренних потерях (привод насосов, трение, утечки тепла через корпус и т.д.) ~ 5%.

Парогазотурбинная установка состоит из входного устройства, компрессора, камеры сгорания, камеры смешения, турбины привода компрессора, выходного устройства, теплообменника-испарителя, теплообменника-нагревателя, расположенного за теплообменником-испарителем, паровой турбины, теплообменника-конденсатора. Теплообменник-испаритель расположен в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора и соединен с одной стороны с источником воды, а с другой - с камерой смешения. Вода, прежде чем попасть в теплообменник-испаритель, проходит через теплообменник-конденсатор паровой турбины. Паротурбинный контур закольцован: входной ресивер турбины соединен с выходом из теплообменника-нагревателя; выходной ресивер турбины через канал низкого давления теплообменника-конденсатора соединен с входом в насос, выход из которого соединен с входом в теплообменник-нагреватель. В паротурбинном контуре циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно (например, этиловый спирт), имеющая температуру кипения менее 100°С. Достигается повышение эффективного кпд парогазотурбинной установки до 70-75%. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Парогазотурбинная установка, содержащая входное устройство, компрессор, камеру сгорания, камеру смешения, турбину привода компрессора, выходное устройство, теплообменник-испаритель, расположенный в канале выходного устройства за турбиной привода компрессора и соединенный с одной стороны с источником воды, а с другой - с камерой смешения, отличающаяся тем, что вода, прежде чем попасть в теплообменник-испаритель, проходит через теплообменник-конденсатор паровой турбины, которая закольцована: входной ресивер турбины соединен с выходом из теплообменника-нагревателя, расположенного в канале выходного устройства за теплообменником-испарителем; выходной ресивер турбины через канал низкого давления теплообменника-конденсатора соединен с входом в насос, выход из которого соединен с входом в теплообменник-нагреватель, внутри которых циркулирует легкоиспаряющаяся жидкость, переходящая в пар и обратно, имеющая температуру кипения менее 100°C.

2. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что легкоиспаряющаяся жидкость - этиловый спирт.

3. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что температура газа в камере сгорания более 2500 К.

4. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что степень повышения давления в компрессоре более 40.

5. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что на выходе из теплообменника-конденсатора установлен кран кольцевания.

6. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что давление на выходе из паровой турбины менее 0,1 МПа.

7. Парогазотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что в магистрали между теплообменником-испарителем и камерой смешения установлена паровая турбина высокого давления с давлением пара на входе более 10 МПа.