ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ПОДАЧЕЙ ПАРО-ТОПЛИВНОЙ СМЕСИ Российский патент 2014 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с газопаровыми циклами и может быть использовано для увеличения удельной мощности, повышения КПД, снижения удельного расхода топлива и увеличения (продления) ресурса, а также для снижения эмиссии токсичных веществ в продуктах сгорания.

Известен газопаровой цикл STIG (Steam Injected in Gas) фирмы «General Electric» (USA) (Колп Д.А., Меллер Д.Ж. Ввод в эксплуатацию первой в мире ГТУ полного цикла STIG на базе газогенератора LV-5000. Современное машиностроение, серия А, 1989, №11, стр.1÷14.), в котором с целью повышения КПД и удельной мощности газотурбинной энергоустановки осуществляют подачу пара в камеру сгорания (КС) ГТУ. Подаваемый пар, используемый в качестве дополнительного рабочего тела для работы турбины, получают в рекуперативном теплообменнике, т.н. котле-утилизаторе, путем нагрева и испарения подаваемой воды за счет тепла продуктов сгорания. Аналогичные схемы использованы в отечественной установке МЭС-60 (Батенин В.М., Беляев В.Е., Васютинский В.Ю. и др. Комплексная парогазовая установка с впрыском пара и теплонасосной установкой (ПГУ МЭС-60) для ОАО «Мосэнерго». Институт высоких температур РАН, ММПП ФГУП «Салют», ОАО «Мосэнерго». Москва, 2001), а также описаны, например, в патентах США №4823546 от 25.04.1989, №5564269 от 15.10.1996, №6370862 от 16.04.2002.

Наряду с достижением более высоких энергетических характеристик применение цикла STIG понижает температуру пламени в камере сгорания (КС) и тормозит процессы образования токсичных оксидов азота (NO_x), и их концентрация в выбросах снижается в несколько раз. Однако уменьшение температуры пламени приводит к замедлению процессов горения и к уменьшению полноты сгорания метана (основного компонента газового топлива), и при увеличении подачи пара возрастает концентрация угарного газа CO (основного продукта «недожога») в выбросах. Поэтому из-за недопустимого роста концентрации CO при существенном увеличении подачи пара нельзя увеличить отношение массы подаваемого пара к массе сжигаемого метана выше критического уровня примерно 2:1 в указанном цикле STIG.

Принципиальным препятствием для увеличения соотношения пар: метан выше критического является невозможность однородно перемешать за короткое время пребывания в КС подаваемый пар с газовыми компонентами (см., например, Иванов А.А., Ермаков А.Н., Шляхов Р.А. О глубоком подавлении выбросов NO_x и CO в ГТУ с впрыском воды или пара. Изв. РАН, Энергетика, 2010, №3, 119-128). В итоге в КС формируются области и с пониженным, и с повышенным содержанием пара относительно среднего соотношения пар: метан (2:1). В областях с повышенной долей пара, т.е. в условиях сильного понижения температуры, чрезмерно тормозится процесс догорания CO. Таким образом, однородность перемешивания пара с газообразным топливом (природным газом) критически влияет на его сгорание в КС ГТУ и, соответственно, на возможность увеличения подачи пара в КС ГТУ, необходимого для достижения более высоких энергетических характеристик ГТУ и одновременного улучшения их экологических показателей, т.е. снижения концентраций токсичных оксидов азота (NO_x).

Достичь однородного распределения пара и обеспечить равномерное снижение температуры в камере сгорания ГТУ можно путем сжигания предварительно тщательно перемешанных смесей метана с паром (Cheng D.Y., Nelson A.L.C. Chronological development of Cheng cycle steam injected gas turbine during last 25 years, Proc. ASME Turbo Expo 2002, June 3-6, 2002, Amsterdam. Cheng D.Y. CLN Development to reduce NO_x and greenhouse gas, 17^th Symposium on industrial application of gas-turbine (IAGT). Banff, Alberta, Canada, October 2007; патенты США №4657009, №5617716, №5983622, №6418724, №6644011, №061117). При высокой однородности перемешивания пара и метана в смеси, когда отклонение локального состава от среднего не превышает 1%, можно обеспечить эффективное горение в КС ГТУ при увеличенном соотношении пар: метан в смеси вплоть до 4:1. При этом содержание NO_x и CO в выбросах ГТУ можно понизить ниже 3 ppm.

В известных устройствах с подачей паро-топливной смеси в камеру сгорания ГТУ локальное превышение доли пара в КС приводит к чрезмерному понижению температуры в КС. В результате тормозится горение топлива (природного газа, синтез-газа), что ведет к его неполному сгоранию и недопустимому росту концентрации угарного газа в выбросах. Из-за этого не удается поднять долю подаваемого в КС ГТУ пара в смеси с метаном выше некоторого предела (в схеме Ченга предельное соотношение пар: метан в смеси составляет примерно 4:1), и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO) в атмосферу.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по своей технической сущности является газотурбинная установка с газопаровым циклом и с подачей паро-топливной смеси, описанная в Cheng D.Y., Nelson A.L.C. Chronological development of Cheng cycle steam injected gas turbine during last 25 years, Proc. ASME Turbo Expo 2002, June 3-6, 2002, Amsterdam (прототип), в которой в качестве топлива используется природный газ (метан). Такая газотурбинная установка содержит: компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, камеру сгорания, средства для подачи паро-топливной смеси в камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел утилизатор, смеситель для смешения пара и топлива и получения паро-топливной смеси.

Недостатком устройства Ченга является сложность смесителя для предварительного тщательного перемешивания метана с паром: нужно использовать двухступенчатую систему смешения, чтобы добиться необходимой высокой однородности перемешивания пара и метана и обеспечить горение при увеличенном соотношении пара к метану в смеси вплоть до 4:1. Обеспечить устойчивое эффективное горение в КС ГТУ при выгодном увеличенном соотношении пара к метану в смеси свыше отношения 4:1 в устройстве Ченга нельзя.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи ускорения процессов горения и увеличения полноты сгорания газового топлива (метана) при увеличении доли пара в паро-топливной смеси, подаваемой в камеру сгорания ГТУ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси, в которой в качестве топлива используется природный газ (метан), содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, средства для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемая паро-топливная смесь и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, которую приводят во вращение потоки образующихся продуктов сгорания, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, смеситель для получения паро-топливной смеси, оснащена дополнительно системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с паро-топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания.

Реализация заявляемого изобретения обеспечивает получение нескольких технических результатов, в том числе: 1) ускорение процессов горения, 2) увеличение полноты сгорания метана, 3) повышение КПД ГТУ, 4) снижение вредных выбросов оксидов азота и угарного газа, 5) увеличение удельной мощности ГТУ, 6) снижение удельного расхода газового топлива в ГТУ, 7) увеличение ресурса работы ГТУ.

Активатор горения представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что ускоряет сгорание топлива и продуктов его высокотемпературных превращений, включая CO. Одним из примеров активатора горения является пероксид водорода (H₂O₂), который при повышенных температурах легко диссоциирует с образованием гидроксильных радикалов (OH), что способствует ускорению и углублению процесса сгорания метана. Увеличение полноты сгорания CO позволяет увеличить подачу пара в камеру сгорания, благодаря чему удается повысить КПД и одновременно понизить в выбросах содержание CO и оксидов азота. В качестве активатора горения выгодно использовать водные растворы пероксида водорода (H₂O₂), в частности 30%-ный водный пероксид водорода (H₂O₂).

Ускорение и углубление процесса сгорания метана в присутствии активатора горения позволяет обойтись без сложных двухступенчатых систем смешения пара с метаном (как в прототипе), а использовать одноступенчатые системы такие, как, например, паровые эжекторы. Кроме того, можно применить трехкомпонентную систему смешения: а) активатора горения, б) пара и в) метана. В качестве варианта в настоящей заявке предлагается использовать трехкомпонентную систему смешения на основе парового эжектора. В таком случае за счет передачи кинетической энергии от быстро движущегося потока пара в сужающемся сечении эжектора можно повысить давление сетевого природного газа до давления в камере сгорания, избежав затрат механической энергии «дожимным» компрессором.

На фиг.1 и 2 представлены примеры газотурбинной установки с подачей паро-топливной смеси по настоящему изобретению.

ГТУ с подачей паро-топливной смеси на фиг.1 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, топливный насос 2 для подачи топлива, средства 3 для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемая паро-топливная смесь и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину 5, которую приводит во вращение поток продуктов сгорания, электрогенератор 6 для выработки электроэнергии, механические средства 7 и 8 для передачи механической энергии турбины на работу компрессора 1 и на вращение электрогенератора 6, соответственно, котел утилизатор 9, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, смеситель 10 для получения паро-топливной смеси, систему подачи активатора горения 11 и систему смешения 12 активатора горения с паро-топливной смесью.

ГТУ с подачей паро-топливной смеси на фиг.2 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, топливный насос 2 для подачи топлива, средства 3 для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемая паро-топливная смесь и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину 5, которую приводит во вращение поток продуктов сгорания, электрогенератор 6 для выработки электроэнергии, механические средства 7 и 8 для передачи механической энергии турбины на работу компрессора 1 и на вращение электрогенератора 6, соответственно, котел утилизатор 9, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему подачи 11 активатора горения, систему смешения 12 трех компонентов: пара, жидкого активатора горения и топлива, регулятор 13, регулирующий потоки топлива в средства 14 подачи топлива и в систему смешения 12.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. После запуска с помощью стартера ГТУ и прогрева и выхода на номинальный режим котла утилизатора 9, включают смеситель 10 для смешения пара и топлива для получения паро-топливной смеси, которую подают в камеру сгорания 4. Затем включают систему подачи 11 активатора горения, в качестве которого используют, например, 30% водный раствор пероксида водорода (H₂O₂), и систему смешения 12 активатора горения с паро-топливной смесью. За счет тепла перегретого пара в получаемой таким образом паро-капельной смеси происходит преимущественное испарение воды благодаря большей летучести ее паров. Вследствие преимущественного испарения воды в каплях паро-капельной смеси концентрация активатора горения будет нарастать, и одновременно с этим будут усиливаться его свойства как активатора горения. В результате в камере сгорания 4 распыляется смесь пара и мелкодисперсной влаги, содержащей необходимую концентрацию активатора горения. При попадании мелкодисперсных капель с высокой концентрацией активатора горения в КС сгорание топлива вблизи них значительно ускоряется благодаря разложению (диссоциации) пероксида водорода на гидроксильные радикалы и их выходу в газовую фазу. Кроме того, из-за нестабильности пероксида водорода при высоких температурах часть его при испарении капель превращается в воду и газообразный кислород, способствующие, подобно пропелленту, дополнительному распылению оставшихся капель. Благодаря выделению кислорода и гидроксильных радикалов добавка активатора горения способствует полному сгоранию топлива и при недостижимых в отсутствие активатора горения соотношениях пара к метану, что обеспечивает повышение эффективности работы ГТУ. Важно при этом, чтобы основная часть пероксида водорода не подверглась преждевременному высокотемпературному разложению до попадания в камеру сгорания.

Таким образом, благодаря включению системы подачи 11 активатора горения и системы смешения 12 активатора горения с паро-топливной смесью может быть достигнуто: а) повышение КПД более 3%, б) повышение мощности (удельной мощности) в форсированном режиме более 3% от номинальной; в) снижение расхода (экономия) топлива в номинальном режиме установленной мощности более 2%, г) увеличение ресурса работы ГТУ в номинальном режиме установленной мощности более чем в 1,1-1,2 раза за счет снижения температурных градиентов в контуре ГТУ. Одновременно с этим достигается снижение вредных выбросов оксидов азота более чем на 10-50% за счет снижения температуры факела первичного горения в камере сгорания ГТУ, а также снижение выбросов угарного газа более чем на 10-30% за счет активации горения.

Устройство на фиг.2 работает следующим образом. Устанавливают регулятор 13 в исходное состояние, при котором открыт поток газового топлива в средства 14, но закрыт его поток в систему смешения 12. При таком исходном состоянии регулятора 13 устройство на фиг.2 будет работать без подачи пара и активатора горения. После запуска и прогрева и выхода установки на режим постепенно включают систему смешения 12 для подачи смеси пара и активатора горения в КС ГТУ, а затем изменяют состояние регулятора 13 таким образом, чтобы перекрыть (частично) поток топлива в средства 14 и одновременно открыть его поток в систему смешения 12. Система смешения 12 в данном устройстве служит для смешения трех компонентов: а) пара, б) жидкого активатора горения и в) топлива. При использовании в качестве топлива сетевого природного газа (метана) такую трехкомпонентную систему смешения представляется целесообразным создавать на основе парового эжектора. В этом случае за счет передачи кинетической энергии от быстро движущегося потока пара в сужающемся сечении эжектора можно повысить давление сетевого газа (метана) до давления в камере сгорания, избежав затрат механической энергии в предназначенном для этой цели «дожимном» компрессоре. В итоге смесь пара, жидкого активатора горения и газового топлива из системы смешения 12 поступает в средства 3 для подачи этой смеси в камеру сгорания 4.

Благодаря предварительному смешению пара с топливом в системе смешения 12 подаваемый пар однородно распределяется в объеме пламени, что обеспечивает равномерность снижения температуры в КС ГТУ подобно достигаемому в схеме Ченга. Кроме того, за счет тепла подаваемого пара в перемешиваемой паро-капельной смеси происходит преимущественное испарение воды, поскольку температура кипения активатора горения (при нормальном давлении 150°C) заметно выше температуры кипения воды. Вследствие этого концентрация активатора горения в микрокаплях нарастает, и одновременно усиливаются его свойства как активатора горения. В результате в камеру сгорания 4 поступает смесь пара, топлива и мелкодисперсной влаги, содержащей необходимую концентрацию активатора горения. При попадании мелкодисперсных капель с высокой концентрацией активатора горения в КС сгорание метана вблизи таких капель значительно ускоряется благодаря процессу разложения (диссоциации) перекиси водорода на гидроксильные радикалы в объеме капли и их выходу в газовую фазу. Кроме того, из-за нестабильности концентрированной перекиси водорода при высоких температурах часть ее в процессе испарения капель успевает превратиться в воду и газообразный кислород и, подобно пропелленту, дополнительно распыляет оставшиеся капли. Благодаря выделению кислорода и гидроксильных радикалов добавка активатора горения способствует полному сгоранию метана и при недостижимых в отсутствие активатора горения соотношениях пара к метану, что обеспечивает повышение эффективности работы ГТУ. Важно при этом, чтобы основная часть пероксида водорода не подверглась преждевременному высокотемпературному разложению до попадания в КС.

В заявляемом изобретении добавка активатора горения в смесь пара и топлива способствует эффективному сгоранию метана при менее тщательном перемешивании, чем это требуется в прототипе, а также при более высоких и недостижимых в отсутствие активатора соотношениях пара к метану, необходимых для повышения эффективности работы ГТУ.

Таким образом, благодаря включению системы подачи 11 активатора горения и системы смешения 12 активатора горения с паро-топливной смесью может быть достигнуто: а) повышение КПД более 3%, б) повышение мощности (удельной мощности) в форсированном режиме более 3% от номинальной; в) снижение (экономия) расхода топлива в номинальном режиме установленной мощности более 2%, г) увеличение ресурса работы ГТУ в номинальном режиме установленной мощности более чем в 1,1-1,2 раза за счет снижения температурных градиентов в контуре ГТУ. Одновременно с этим достигается снижение вредных выбросов оксидов азота более чем на 10-50% за счет снижения температуры в камере сгорания ГТУ, а также снижение выбросов угарного газа более чем на 10-30% за счет активации горения.

Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, средства для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел-утилизатор. В камеру сгорания поступает сжатый компрессором воздух и подаваемая паро-топливная смесь, далее происходит их смешение, воспламенение и сгорание. Котел-утилизатор предназначен для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, смеситель для получения паро-топливной смеси. Газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с паро-топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания. Изобретение направлено на увеличение удельной мощности, повышение КПД, снижение удельного расхода топлива и увеличение (продление) ресурса, а также для снижения выбросов токсичных веществ, в частности оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO) с продуктами сгорания, в атмосферу. 2 ил.

Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, средства для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемая паро-топливная смесь и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, которую приводят во вращение потоки образующихся продуктов сгорания, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи механической энергии от турбины на работу компрессора и на вращение электрогенератора, котел утилизатор, предназначенный для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, смеситель для получения паро-топливной смеси, отличающаяся тем, что она оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с паро-топливной смесью, подаваемой в камеру сгорания.