ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА С ВПРЫСКОМ ВОДЯНОГО ПАРА Российский патент 2014 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с впрыском водяного пара (газопаровые энергоустановки) и может быть использовано для увеличения удельной мощности, повышения КПД, снижения удельного расхода топлива и увеличения (продления) ресурса, а также для снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу с продуктами 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 (впрыск) водяного пара в камеру сгорания (КС) ГТУ. Водяной пар (далее для краткости «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 и тормозит процессы образования токсичных оксидов азота (NO_x), и их концентрация в выбросах снижается в несколько раз. Однако понижение температуры пламени приводит к замедлению процессов горения и к уменьшению полноты сгорания метана (основного компонента газового топлива), и при увеличении впрыска пара возрастает концентрация угарного газа CO (основного продукта «недожога») в выбросах. Поэтому из-за недопустимого роста концентрации CO при существенном увеличении впрыска пара, в указанном цикле STIG нельзя увеличить отношение массы впрыскиваемого пара к массе сжигаемого метана выше критического уровня примерно 2:1.

Принципиальным препятствием для увеличения соотношения пар: метан выше критического в цикле STIG является невозможность однородно перемешать впрыскиваемый пар с газовыми компонентами за короткое время пребывания в камере сгорания (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 локальные 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, и это приводит к недопустимому росту концентрации CO в выбросах ГТУ при увеличении впрыска пара.

Таким образом, недостатком цикла STIG является чрезмерное замедление процесса догорания CO в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры, препятствующее полному сгоранию топлива (природного газа, синтез-газа) в КС ГТУ, из-за чего нельзя увеличить впрыск пара в КС ГТУ выше указанного предела по отношению к содержанию метана (2:1), и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД газотурбинной установки, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по своей технической сущности является газотурбинная установка с впрыском пара, описанная в патенте США №5564269 от 15.10.1996 (прототип). Такая газотурбинная установка содержит: компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства (форсунки) для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, 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, систему впрыска пара в камеру сгорания.

В указанном устройстве так же, как и в других известных устройствах с впрыском пара в камеру сгорания ГТУ (см., например, аннулированный патент РФ на полезную модель №83544 от 10.06.2009), локальное превышение доли пара относительно среднего соотношения пар: метан приводит к чрезмерному понижению температуры и торможению процесса горения топлива. Это, в свою очередь, ведет к его неполному сгоранию и к недопустимому росту концентрации угарного газа в выбросах, из-за чего нельзя увеличить выше некоторого предела долю пара, впрыскиваемого в КС ГТУ, и, соответственно, нельзя дополнительно увеличить КПД ГТУ, а также снизить выбросы вредных оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO), попадающих вместе с продуктами сгорания в атмосферу.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи ускорения процессов горения и увеличения полноты сгорания газового топлива при увеличении доли водяного пара, впрыскиваемого в камеру сгорания ГТУ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, 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, систему впрыска пара в камеру сгорания, оснащена дополнительно системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым 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 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 топлива, в том числе и в локальных областях КС ГТУ с повышенной долей пара, где происходит сильное понижение температуры. Увеличение полноты сгорания CO позволяет увеличить впрыск пара в камеру сгорания, благодаря чему удается повысить КПД и одновременно понизить содержание CO и оксидов азота в выбросах. В качестве активатора горения выгодно использовать водные растворы пероксида водорода (H₂O₂), в частности, 30% водный раствор пероксида водорода (H₂O₂).

Ускорение и углубление процесса сгорания топлива под действием активатора горения позволяет использовать такие системы смешения активатора горения с паром, как, например, паровые эжекторы.

Пример устройства ГТУ по настоящему изобретению показан на фиг.1

ГТУ с впрыском водяного пара на фиг.1 содержит: компрессор 1 для сжатия воздуха, топливный насос 2, средства 3 для подачи топлива, камеру сгорания 4, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину 5, 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, систему впрыска 10 пара в камеру сгорания, систему подачи 11 активатора горения и систему смешения 12 активатора горения с паром.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. После запуска с помощью стартера ГТУ и прогрева и выхода на номинальный режим котла утилизатора 9 включают систему впрыска 10 пара в камеру сгорания. Затем включают систему подачи 11 активатора горения, в качестве которого используют, например, 30% водный пероксид водорода (H₂O₂), и систему смешения 12 активатора горения с паром. 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 концентрация активатора горения в каплях паро-капельной смеси 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.

Благодаря включению системы подачи 11 активатора горения и системы смешения 12 активатора горения с паром 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 впрыском водяного пара в контур ГТУ содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, 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 подаваемое топливо и происходит их смешение, воспламенение и сгорание. Котел-утилизатор предназначен для нагрева подаваемой воды и получения пара за счет тепла продуктов сгорания, систему впрыска пара в камеру сгорания. Газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания. Изобретение направлено на увеличение удельной мощности, повышение КПД, снижение удельного расхода топлива и увеличение (продление) ресурса, а также для снижения выбросов в атмосферу токсичных веществ, в частности оксидов азота (NO_x) и угарного газа (CO) с продуктами сгорания. 1 ил.

Газотурбинная установка с впрыском водяного пара в контур ГТУ, содержащая компрессор для сжатия воздуха, топливный насос, средства для подачи топлива, камеру сгорания, куда поступает сжатый компрессором воздух и подаваемое топливо, и где происходит их смешение, воспламенение и сгорание, газовую турбину, 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, систему впрыска пара в камеру сгорания, отличающаяся тем, что газотурбинная установка оснащена системой подачи активатора горения и системой смешения активатора горения с водяным паром, впрыскиваемым в камеру сгорания.