Газотурбинная установка и способ функционирования газотурбинной установки Российский патент 2017 года по МПК F02C3/30 

Изобретение относится к газотурбинным установкам (ГТУ) с добавлением воды, пара или другой текучей среды в горючие компоненты и предназначено для использования в энергетике, в частности, на тепловых электрических станциях для повышения экономичности, удельной мощности энергетических установок и улучшения их экологических характеристик.

Быстрый рост энергетики в развитых странах вызвал значительное потребление топлива, а также рост количества вредных выбросов из энергетических установок в атмосферу. Поэтому в настоящее время ведущими производителями ГТУ интенсивно ведутся работы по их усовершенствованию.

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 установки осуществляют подачу пара в камеру сгорания 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, 5564269, 6370862.

Наряду с достижением более высоких энергетических характеристик использование цикла STIG понижает температуру пламени в камере сгорания и тормозит процессы образования токсичных оксидов азота (NO_X), а их концентрация в выбросах снижается в несколько раз. Однако уменьшение температуры пламени приводит к замедлению процессов горения и уменьшению полноты сгорания, а при увеличении подачи пара возрастает концентрация оксида углерода СО в выбросах. Принципиальным препятствием для увеличения, например, соотношения пар: метан выше критического является невозможность однородно перемешать за короткое время пребывания в камере сгорания подаваемый пар с газовыми компонентами (см., например, Иванов А.А. и др. О глубоком подавлении выбросов NO_X и СО в ГТУ с впрыском воды или пара. Изв. РАН, Энергетика, 2010, №3, стр. 119-128).

Известен способ работы газотурбинной установки и устройство для его осуществления (Авторское свидетельство СССР №1746012). В устройстве для осуществления способа, содержащего последовательно подключенные компрессор, камеру сгорания, турбину, теплообменник, конденсатор с теплообменными поверхностями и водяную магистраль, теплообменные поверхности конденсатора выполнены из капиллярно-пористого материала.

Недостатком известного способа и устройства реализующего этот способ является низкая экономичность из-за больших потерь теплоты в окружающую среду.

Известен способ, реализованный в парогазовой установке контактного типа (Комбинированная газотурбинная установка мощностью 16-25 МВт с утилизацией тепла отходящих газов и регенерацией воды из парогазового потока. Романов В.И., Кривуц В.А. / Теплоэнергетика, №4, 1996). Способ включает сжатие воздуха в компрессоре, подвод и сжигание топлива в камере сгорания, ввод пара в проточную часть газотурбинного блока, образование парогазовой смеси, расширение ее в турбине для преобразования тепловой энергии в механическую, охлаждение парогазовой смеси в теплообменном устройстве, дополнительное охлаждение и конденсацию влаги парогазовой смеси во втором теплообменном устройстве контактного типа, вывод оставшейся охлажденной парогазовой смеси в атмосферу. Однако в известном способе недостаточно эффективно используется энергия топлива и, кроме того, при использовании установки имеет место повышенное тепловое загрязнение окружающей среды.

Наиболее близкой к заявленной газотурбинной установке по устройству и способу функционирования является газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси и способ функционирования этой установки (патент РФ №2527007). Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, потребитель энергии, магистраль топливоподачи и котел утилизатор, снабженный контурами горячего и холодного теплоносителей, где контур горячего теплоносителя выполнен в виде выпускного канала продуктов сгорания из турбины в атмосферу, а контур холодного теплоносителя - в виде канала противоточного выпускному каналу с подключенными на входе противоточного канала коллектором подачи воды, а на выходе - коллектором подачи пара, сообщающимся с камерой сгорания.

Способ функционирования установки заключается в том, что в камеру сгорания ГТУ вводят смесь горячего водяного пара с углеводородным топливом (например, природным газом). Отводят продукты сгорания топлива из камеры сгорания через турбину и горячий контур теплоносителя котла утилизатора в атмосферу. Противоточно продуктам сгорания в котел утилизатор подводят воду, которую от выпускных продуктов сгорания нагревают до превращения в пар.

Однако в известной газотурбинной установке и способе ее функционирования невозможно однородно перемешать водяной пар с топливом за короткое время их контакта после смешения и подачи в камеру сгорания для сжигания, что не позволяет существенно увеличить полноту сгорания топлива. Кроме того, к недостаткам такой энергетической установки относится малое использование тепла выпускных газов из-за невозможности значительного подмешивания воды в газообразное топливо перед камерой сгорания и необходимость использования, кроме воды, отдельного активатора горения.

Следует отметить, что:

- отработавшие продукты сгорания ГТУ содержат водяные пары и необходимый запас теплоты для конденсации этих паров из продуктов сгорания;

- конверсия углеводородных топлив в водородосодержащий синтез-газ позволяет использовать водородосодержащие обедненные газовые смеси и снижает концентрацию оксидов азота и оксида углерода в продуктах сгорания;

- принцип использования водородосодержащего синтез-газа для снижения токсичности продуктов сгорания является перспективным, но достигнуть требуемых стандартами экологических норм без использования катализаторов и работы ГТУ на бедных смесях не представляется возможным.

Изобретение относится к ГТУ с газопаровыми циклами и может быть использовано для увеличения полноты сгорания топлива, снижения удельного расхода топлива и снижения эмиссии в атмосферу токсичных продуктов сгорания топлива.

В ГТУ целесообразно использовать углеводородное топливо в жидком виде, так как легче дозировать подачу топлива и воды в требуемом соотношении.

Изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов, в том числе: экономию углеводородного топлива за счет повышения эффективности использования энергии топлива, независимость конвертации смеси паров топлива и воды от посторонних источников воды, снижение вредных выбросов оксидов азота и оксида углерода в атмосферу.

Поставленные задачи для устройства решаются тем, что газотурбинная установка содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, потребитель энергии, магистраль топливоподачи с насосом, коллектор подачи воды, коллектор подачи пара и котел-утилизатор, снабженный контурами горячего и холодного теплоносителей. Контур горячего теплоносителя выполнен в виде части выпускного канала продуктов сгорания из турбины в атмосферу, а контур холодного теплоносителя - в виде канала противоточного выпускному каналу с подключенными на входе канала коллектора подачи воды и коллектора подачи топлива, а на выходе - коллектором подачи пара, сообщающимся с камерой сгорания.

Согласно изобретению для устройства установка содержит радиатор, конденсатор воды, водяную магистраль, емкость воды, насос подачи воды, регулятор давления воды и канал конверсии смеси паров топлива и воды с каталитической структурой в нем. При этом радиатор снабжен контурами горячего и холодного теплоносителей. Контур горячего теплоносителя радиатора выполнен в виде части выпускного канала продуктов сгорания подключенного на входе к выходу контура горячего теплоносителя котла-утилизатора, а контур холодного теплоносителя - в виде канала водяного охлаждения радиатора с отбором нагретой воды потребителю на выходе через кран. Конденсатор включает канал водяного охлаждения с регулятором расхода воды на входе, подключенный на выходе к входу канала водяного охлаждения радиатора, концевую часть выпускного канала продуктов сгорания с теплообменными стенками, снабженную выходом в атмосферу. При этом концевая часть выпускного канала продуктов сгорания через теплообменные стенки конденсатора, внутреннюю полость водяной магистрали конденсатора, емкость воды подключена к потребителю и/или через насос подачи воды и регулятор конденсационной воды к входу противоточного канала котла-утилизатора вместе с магистралью топливоподачи. Противоточный канал контура холодного теплоносителя котла-утилизатора и канал конверсии смеси паров топлива и воды сформированы в виде спиральных трубопроводов, которые расположены последовательно соответственно внутри вдоль стенки части выпускного канала котла-утилизатора и вдоль жаровой трубы камеры сгорания. Выход из противоточного канала котла-утилизатора подключен к входу канала конверсии смеси паров топлива и воды через коллектор подачи пара, а выход из канала конверсии смеси паров топлива и воды - к горелкам камеры сгорания.

При такой конструкции газотурбинной установки:

- дополнительное наличие радиатора, конденсатора воды, водяной магистрали, емкости воды, насоса подачи воды, регулятора давления воды, регулятора расхода воды, канала конверсии смеси паров топлива и воды с каталитической структурой в нем и горелок камеры сгорания обеспечивает выработку водородосодержащего синтез-газа и работу ГТУ на нем на обедненных газовоздушных смесях, что обеспечивает экономию углеводородного топлива;

- снабжение радиатора контурами горячего и холодного теплоносителей, где контур горячего теплоносителя радиатора выполнен в виде части выпускного канала продуктов сгорания, подключенного на входе к выходу контура горячего теплоносителя котла-утилизатора, а контур холодного теплоносителя - в виде канала водяного охлаждения радиатора с отбором нагретой воды потребителю через кран позволяет снизить температуру продуктов сгорания до уровня близкого к температуре конденсации паров воды в них;

- наличие в конденсаторе канала водяного охлаждения с регулятором расхода воды на входе, подключенного на выходе к входу канала водяного охлаждения радиатора позволяют осуществить процесс конденсации паров воды из продуктов сгорания;

- наличие в концевой части выпускного канала теплообменных стенок из проницаемого капиллярно-пористого материала, где концевая часть выпускного канала через теплообменные стенки конденсатора, внутреннюю полость водяной магистрали, емкость воды, коллектор подачи воды, насос подачи воды и регулятор давления вместе с магистралью топливоподачи подключена к входу противоточного канала котла утилизатора позволяет сконденсированной из паров продуктов сгорания водой полностью удовлетворить потребности установки в ней (подтверждено расчетом);

- выход смеси паров топлива и воды из канала конверсии непосредственно к горелкам обеспечивает подачу в камеру сгорания с требуемыми параметрами.

- наличие в контуре горячего теплоносителя после котла-утилизатора радиатора и конденсатора воды обеспечивает более полное использование тепла выпускных газов и независимость от постороннего источника воды;

- подключение коллектора подачи воды из конденсатора совместно с магистралью топливоподачи к входу в трубчатую спираль контура противоточного канала холодного теплоносителя котла-утилизатора обеспечивает повышение экономичности ГТУ за счет возвращения в рабочий цикл вместе с предварительно нагретой смесью паров воды и топлива части бросового тепла выпускных газов;

- наличие в продуктах сгорания вдвое большего количества воды, чем требуется для использования в цикле позволяет упростить конструкцию конденсатора и обеспечить водой постороннего потребителя;

- формирование противоточного канала контура холодного теплоносителя котла-утилизатора и канала конверсии смеси паров топлива и воды в виде спиральных трубопроводов, которые расположены последовательно соответственно внутри вдоль стенки части выпускного канала котла-утилизатора и вдоль жаровой трубы камеры сгорания увеличивает располагаемое время и путь на образование паров из жидкого топлива и воды, время на перемешивание паров топлива и воды, повышает однородность смеси паров, позволяет увеличить содержание воды в смеси, что повышает полноту сгорания топлива, снижает удельный расход топлива и количество вредных выбросов в атмосферу;

- наличие вдоль стенок жаровой трубы камеры сгорания спирального трубчатого канала с размещенной в нем каталитической структурой позволяет конвертировать пары воды и топлива в синтез-газ, что позволяет более полно использовать энергетические возможности топлив и способствует улучшению экологических характеристик ГТУ.

Выполненный в виде спирального трубопровода канал конверсии смеси паров топлива и воды в синтез-газ служит экраном для жаровой трубы практически, не изменяя гидравлического сопротивления камеры сгорания.

Развитие и уточнение существенных признаков изобретения для частных случаев его выполнения дано далее.

Каталитическая структура может быть выполнена в виде никелевого покрытия нанесенного на керамическую матрицу. Исполнение каталитической структуры в виде никелевого покрытия нанесенного на керамическую матрицу на основе оксида алюминия обеспечивает конверсию паров углеводородного топлива и воды в водородосодержащий синтез-газ при заданных температуре и давлении.

Кроме того, теплообменные внутренние стенки конденсатора могут быть выполнены из проницаемого капиллярно-пористого материала. Это позволяет выделять воду, конденсированную из водяных паров в продуктах сгорания.

Для решения поставленных задач способ функционирования газотурбинной установки заключается в том, что сжимают воздух в компрессоре и с топливом подают в камеру сгорания. Выводят установку на установившийся режим. На установившемся режиме отводят продукты сгорания топлива из камеры сгорания через турбину и горячий контур теплоносителя котла-утилизатора в виде выпускного канала котла-утилизатора в атмосферу. Противоточно продуктам сгорания горячего контура в котел-утилизатор по контуру холодного теплоносителя подводят через коллектор воду. Посредством нагрева от продуктов сгорания превращают воду в пар и направляют через коллектор подачи пара в камеру сгорания.

Согласно изобретению по способу функционирования из части выпускного канала котла-утилизатора продукты сгорания направляют в радиатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры близкой к температуре конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения радиатора, нагретую воду из которого направляют потребителю через кран. Далее продукты сгорания направляют в конденсатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры ниже температуры конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения конденсатора. Осуществляют конденсацию паров воды из продуктов сгорания и слив воды в емкость через внутреннюю полость водяной магистрали конденсатора. Одновременно воду из емкости подают потребителю и/или на вход в противоточный канал контура холодного теплоносителя котла-утилизатора насосом через регулятор расхода конденсированной воды вместе с углеводородным топливом. В противоточном канале котла-утилизатора воду и топливо смешивают и нагревают от продуктов сгорания до образования смеси паров топлива и воды с температурой 350-400°С и давлением 20-70 кг/см². Далее смесь паров через коллектор подачи пара направляют в размещенный в камере сгорания канал конверсии смеси паров топлива и воды и нагревают от продуктов сгорания в присутствии катализатора с последующей конвертацией смеси в синтез-газ при температуре 700-900°С и давлении 20-50 кг/см² и подают синтез-газ вместе с частью (~5-15%) непрореагировавших продуктов деструкции топлива и воды в качестве топлива из канала конверсии для сжигания в горелки камеры сгорания.

Тепло затраченное на конверсию топливо-водяной смеси в синтез-газ возвращается в цикл при сжигании продуктов конверсии в камере сгорания.

При таком способе функционирования:

- направление из выпускного канала котла-утилизатора продуктов сгорания в радиатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры близкой к температуре конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения радиатора создает условия для последующей конденсации воды из продуктов сгорания;

- направление продуктов сгорания из радиатора в конденсатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры ниже температуры конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения конденсатора и осуществляют конденсацию паров воды из продуктов сгорания с выделением воды на стенках и впитыванием воды через проницаемые пористые стенки за счет капиллярных сил в емкость через внутреннюю полость водяной магистрали конденсатора позволяет работать установке независимо от посторонних источников воды. Излишки воды направляют потребителю;

- одновременная с конденсацией подача воды из емкости на вход в противоточный канал контура холодного теплоносителя котла-утилизатора насосом через регулятор давления вместе с топливом обеспечивает непрерывную работу установки;

- смешение и нагревание от продуктов сгорания в противоточном трубчатом спиральном канале котла-утилизатора топлива и воды до образования смеси паров топлива и воды с температурой 350-400°С и давлением 20-70 кг/см² повышает однородность смеси и позволяет использовать в установке жидкое углеводородное топливо вместе с водой при заданном соотношении;

- последующая подача смесь паров топлива и воды через коллектор подачи пара в размещенный в камере сгорания трубчатый спиральный канал конверсии смеси паров топлива и воды, где ее нагревают от продуктов сгорания в присутствии катализатора с последующей конвертацией смеси в синтез-газ при температуре 700-900°С и давлении 20-50 кг/см² и подают синтез-газ вместе с частью (~5-15%) непрореагировавших продуктов деструкции топлива и воды в качестве топлива из канала конверсии для сжигания в горелки камеры сгорания повышает эффективность использования энергии углеводородного топлива.

Способ функционирования ГТУ может иметь уточнение. Конденсацию паров воды из продуктов сгорания можно осуществлять с выделением воды на внутренних стенках конденсатора и впитывать воду через проницаемые пористые стенки за счет капиллярных сил. Это уменьшает потери теплоты в окружающую среду.

Отобранная от продуктов сгорания теплота для нагрева и парообразования топлива и воды и конверсии смеси паров топлива и воды в синтез-газ при подаче синтез-газа в камеру сгорания возвращается обратно в цикл, тем самым повышая эффективный к.п.д. газотурбинной установки по сравнению с традиционными установками.

Подача в камеру сгорания ГТУ вместо жидкого углеводородного топлива газообразного водородосодержащего синтез-газа позволяет более полно использовать энергетические возможности топлива и значительно снизить удельный расход топлива и эмиссию в атмосферу токсичных веществ в продуктах сгорания.

В авиа керосине и дизельном топливе содержание водорода составляет порядка 15% и при сжигании 1 кг этих топлив образуется порядка 1,3 кг воды. Таким образом, продукты сгорания синтез-газа содержат вдвое больше воды, что требуется ввести в ГТУ вместе с топливом.

При такой ГТУ и способе ее функционирования решены поставленные в изобретении задачи:

- увеличена полнота сгорания углеводородного топлива;

- снижен удельный расход топлива;

- снижена эмиссия в атмосферу токсичных продуктов сгорания.

Реализация заявляемого изобретения обеспечивает достижение следующих технических результатов;

- экономии углеводородного топлива за счет повышения эффективности использования энергии топлива;

- снижение эмиссии вредных выбросов оксидов азота и оксида углерода;

- независимое функционирование установки от посторонних источников воды;

- использование для ГТУ авиационных ГТД с выработанным ресурсом.

Настоящее изобретение поясняется последующим описанием конструкции газотурбинной установки и способа ее функционирования со ссылкой на схематичный чертеж.

Газотурбинная установка содержит (см. чертеж) компрессор 1, камеру сгорания 2, турбину 3, потребитель энергии 4, магистраль 5 топливоподачи с насосом 6, коллектор 7 подачи воды, коллектор 8 подачи пара и котел-утилизатор 9. Потребитель энергии 4 может быть выполнен в виде электрогенератора, насоса или другой вращающейся машины. Котел-утилизатор 9 снабжен контурами горячего и холодного теплоносителей. Контур горячего теплоносителя выполнен в виде части 10 выпускного канала продуктов сгорания из турбины 3 в атмосферу. Контур холодного теплоносителя выполнен в виде канала 11 противоточного части 10 выпускного канала с подключенным на входе канала 11 коллектором 7 подачи воды, а на выходе - коллектором 8 подачи пара, сообщающимся с камерой сгорания 2. Установка дополнительно содержит радиатор 12, конденсатор 13 воды с водяной магистралью 14, емкость 15 конденсированной воды, насос 16 подачи воды, регулятор 17 расхода воды, регулятор 18 расхода охлаждающей воды, канал 19 конверсии смеси паров топлива и воды с каталитической структурой в нем и горелки (не показано). Каталитическая структура выполнена в виде никелевого покрытия нанесенного на керамическую матрицу на основе оксида алюминия (не показано). Радиатор 12 снабжен контурами горячего и холодного теплоносителей, контур горячего теплоносителя радиатора 12 выполнен в виде части 20 выпускного канала продуктов сгорания, подключенного на входе к выходу части 10 контура горячего теплоносителя котла-утилизатора 9, а контур холодного теплоносителя - в виде канала 21 водяного охлаждения радиатора 12. Конденсатор 13 включает канал 22 водяного охлаждения с регулятором 18 расхода воды на входе, подключенный на выходе к входу канала 21 водяного охлаждения радиатора 12 и концевую часть 23 выпускного канала продуктов сгорания, снабженную выходом в атмосферу с внутренними теплообменными стенками 24 из проницаемого капиллярно-пористого материала. Расход воды через регулятор 18 определяется требуемым уровнем теплоотдачи от продуктов сгорания в каналы водяного охлаждения 21, 22. Концевая часть 23 выпускного канала продуктов сгорания через теплообменные стенки 24 конденсатора 13, внутреннюю полость (не показано) водяной магистрали 14 конденсатора, емкость 15 конденсированной воды, насос 16 расхода воды и регулятор 17 расхода конденсированной воды подключены к входу противоточного канала 11 котла-утилизатора 9 вместе с магистралью 5 топливоподачи с насосом 6. Противоточный канал 11 контура холодного теплоносителя котла-утилизатора 9 и канал 19 конверсии смеси паров топлива и воды сформированы в виде спиральных трубопроводов, которые расположены последовательно соответственно внутри вдоль стенки части 10 выпускного канала котла-утилизатора 9 и вдоль жаровой трубы (не показано) камеры сгорания 2. Выход из противоточного канала 11 котла-утилизатора 9 подключен к входу канала 19 конверсии смеси паров топлива и воды через коллектор 8 подачи пара, а выход 25 из канала конверсии 19 смеси паров топлива и воды - к горелкам камеры сгорания (не показано).

Способ функционирования газотурбинной установки заключается в том, что при запуске от стартера (не показано) сжимают воздух в компрессоре 1 и с жидким углеводородным топливом подают в камеру сгорания 2. Выводят установку на установившийся режим. На установившемся режиме отводят продукты сгорания топлива из камеры сгорания 2 через турбину 3 и горячий контур теплоносителя котла-утилизатора 9 в виде части 10 выпускного канала в атмосферу. Противоточно продуктам сгорания горячего контура в котел-утилизатор 9 по каналу 11 контура холодного теплоносителя подводят через коллектор 7 воду и нагревают воду теплом продуктов сгорания. Превращают воду в пар и направляют через коллектор 8 подачи пара в камеру сгорания 2. Из части 10 выпускного канала котла-утилизатора 9 продукты сгорания направляют в радиатор 12, где обеспечивают их охлаждение до температуры близкой к температуре конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал 21 водяного охлаждения радиатора. Нагретую воду из канала 21 направляют потребителю через кран. Далее продукты сгорания направляют в конденсатор 13, где обеспечивают их охлаждение до температуры ниже температуры конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал 22 водяного охлаждения конденсатора и осуществляют конденсацию паров воды из продуктов сгорания с выделением воды на стенках 24, впитыванием воды через проницаемые пористые стенки 24 за счет капиллярных сил и слив воды в емкость 15 через внутреннюю полость водяной магистрали 14 конденсатора. Одновременно воду из емкости 15 подают потребителю и/или на вход в противоточный канал 11 контура холодного теплоносителя котла-утилизатора 9 насосом 16 через регулятор 17 давления вместе с жидким топливом. Излишки воды из емкости 15 направляют потребителю через кран. В противоточном канале 11 котла-утилизатора 9 воду и топливо смешивают и нагревают от продуктов сгорания до образования смеси паров топлива и воды с температурой 350-400°С и давлением 20-70 кг/см². Давление в противоточном канале устанавливают регулятором 17. Далее смесь паров через коллектор 8 подачи пара направляют в размещенный в камере сгорания 2 канал 19 конверсии смеси паров топлива и воды и нагревают от продуктов сгорания в присутствии катализатора с последующей конвертацией смеси в водородосодержащий синтез-газ (СО+Н₂) при температуре 700-900°С и давлении 20-50 кг/см². За счет тепла перегретого пара происходит преимущественное испарение воды благодаря большей летучести ее паров. Вследствие преимущественного испарения воды концентрация водорода будет возрастать и одновременно с этим будут усиливаться его свойства как активатора горения. Подают синтез-газ вместе с частью непрореагировавших продуктов деструкции топлива и воды в качестве топлива из канала 19 конверсии смеси паров топлива и воды для сжигания в горелки камеры сгорания 2 (не показано).

Проведенные термодинамические расчеты заявляемой установки на базе газотурбинной установки мощностью 10МВт (на номинальном режиме работы) показали, что при исходной традиционной схеме ГТУ этой же мощности с удельным расходом топлива на крейсерском режиме 0,2 кг/л.с. час (эффективный КПД 30,8%) реализация предлагаемой энергетической установки позволяет повысить эффективный КПД установки до 35% при нагреве топливо-водяной смеси продуктами сгорания до 400°С и до 34,5% при нагреве до 320°С. В первом случае экономичность предлагаемой энергетической установки улучшается на 14%, во втором - на 12%.

Экономический эффект от использования предлагаемой энергетической установки увеличивается если она создается на базе традиционной ГТУ с удельным расходом топлива большим, чем 0,2 кг/л.с.час (эффективный КПД менее 30,8%).

Экономичность предлагаемой энергетической установки можно дополнительно улучшить, если ввести в ее конструкцию свободную турбину, работающую на нагретых парах топлива и воды или продуктах конверсии топливо-водяной смеси. В первом случае при исходной мощности установки 10 МВт дополнительная турбина будет генерировать примерно 200кВт, во втором - около 300 кВт, что составляет прирост мощности установки, соответственно, на 2 и 3%.

Проведенные экспериментальные исследования конверсии топлива керосин-водяной смеси при нагреве 700-900°С в теплообменнике с нанесенным на поверхность теплопередающих каналов катализатором (например, никель на Аl₂О₃) показали, что возможно получить 85-95% синтез-газа в смеси с непрореагировавшими парами воды и продуктами деструкции топлива. При этом на стенках каналов теплообменника не образуются отложения (И.А. Басина, Ю.П. Малков, О.Н. Молчанов, С.Г. Степанов, Трощиненко - Термодинамическое исследование характеристик конвертора с раздельной подачей углеводородного топлива на термоокислительную и паровую конверсию. Теплофизика и аэромеханика 2014, Т. 21, №2, с. 261-267).

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка (ГТУ) содержит компрессор, камеру сгорания, турбину, потребитель энергии, магистраль топливоподачи и котел утилизатор, снабженный контурами горячего и холодного теплоносителей. Контур горячего теплоносителя выполнен в виде выпускного канала продуктов сгорания из турбины в атмосферу. Контур холодного теплоносителя выполнен в виде канала противоточного выпускному каналу с подключением на входе противоточного канала коллектора подачи топлива и коллектора подачи воды, а на выходе - коллектора подачи пара смеси воды и топлива в камеру сгорания. Выпускной канал продуктов сгорания в атмосферу на выходе из турбины снабжен последовательно установленными котлом-утилизатором, радиатором и конденсатором воды. Противоточный канал контура холодного теплоносителя и коллектор подачи продуктов конверсии топливо-водяной смеси в синтез-газ сформированы в виде спиральных трубчатых каналов, расположенных последовательно внутри вдоль стенки выпускного канала котла утилизатора и вдоль стенки жаровой трубы камеры сгорания. В способе функционирования установки в камеру сгорания ГТУ в качестве топлива подаются продукты конверсии топливо-водяной смеси в водородосодержащий синтез-газ. Изобретение обеспечивает экономию топлива при сжигании и независимость работы установки от посторонних источников воды, снижает вредные выбросы в атмосферу и позволяет использовать для ГТУ отработавшие свой ресурс авиационные газотурбинные двигатели. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газотурбинная установка, содержащая компрессор, камеру сгорания, турбину, потребитель энергии, магистраль топливоподачи с насосом, коллектор подачи воды, коллектор подачи пара и котел-утилизатор, снабженный контурами горячего и холодного теплоносителей, где контур горячего теплоносителя выполнен в виде части выпускного канала продуктов сгорания из турбины в атмосферу, а контур холодного теплоносителя - в виде канала противоточного выпускному каналу с подключенными на входе канала коллектором подачи воды, а на выходе - коллектором подачи пара, сообщающимся с камерой сгорания, отличающаяся тем, что дополнительно содержит радиатор, конденсатор воды, водяную магистраль конденсатора, емкость воды, насос и регулятор расхода конденсированной воды, регулятор расхода воды системы охлаждения, канал конверсии смеси паров топлива и воды с каталитической структурой в нем и горелки камеры сгорания, при этом радиатор снабжен контурами горячего и холодного теплоносителей, контур горячего теплоносителя радиатора выполнен в виде части выпускного канала продуктов сгорания, подключенного на входе к выходу контура горячего теплоносителя котла-утилизатора, а контур холодного теплоносителя - в виде канала водяного охлаждения радиатора с отбором нагретой воды потребителю на выходе через кран, конденсатор включает канал водяного охлаждения с регулятором расхода воды охлаждения на входе, подключенный на выходе к входу канала водяного охлаждения радиатора, концевую часть выпускного канала продуктов сгорания с теплообменными стенками, снабженную выходом в атмосферу, при этом концевая часть выпускного канала продуктов сгорания через теплообменные стенки конденсатора, внутреннюю полость водяной магистрали конденсатора, емкость воды на выходе подключена к потребителю и/или через насос и регулятор расхода конденсированной воды к входу противоточного канала котла-утилизатора вместе с магистралью топливоподачи, причем противоточный канал контура холодного теплоносителя котла-утилизатора и канал конверсии смеси паров топлива и воды сформированы в виде спиральных трубопроводов, которые расположены последовательно соответственно внутри вдоль стенки части выпускного канала котла-утилизатора и вдоль жаровой трубы камеры сгорания, выход из противоточного канала котла-утилизатора подключен к входу канала конверсии смеси паров топлива и воды через коллектор подачи пара, а выход из канала конверсии смеси паров топлива и воды - к горелкам камеры сгорания.

2. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что каталитическая структура выполнена в виде никелевого покрытия, нанесенного на керамическую матрицу на основе оксида алюминия.

3. Газотурбинная установка по п. 1, отличающаяся тем, что теплообменные стенки конденсатора выполнены из проницаемого капиллярно-пористого материала.

4. Способ функционирования газотурбинной установки, заключающийся в том, что сжимают воздух в компрессоре и с углеводородным топливом подают в камеру сгорания, выводят установку на установившийся режим, на установившемся режиме отводят продукты сгорания топлива из камеры сгорания через турбину и горячий контур теплоносителя котла-утилизатора в виде части выпускного канала в атмосферу, противоточно продуктам сгорания горячего контура в котел-утилизатор по контуру холодного теплоносителя подводят через коллектор воду и нагревают воду теплом продуктов сгорания, превращают воду в пар и направляют через коллектор подачи пара в камеру сгорания, отличающийся тем, что из части выпускного канала котла-утилизатора продукты сгорания направляют в радиатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры, близкой к температуре конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения радиатора, нагретую воду из которого направляют потребителю через кран, далее продукты сгорания направляют в конденсатор, где обеспечивают их охлаждение до температуры ниже температуры конденсации водяных паров посредством теплоотдачи в канал водяного охлаждения конденсатора и осуществляют конденсацию паров воды из продуктов сгорания и слив воды в емкость через внутреннюю полость водяной магистрали конденсатора, одновременно конденсированную воду из емкости подают потребителю и/или на вход в противоточный канал контура холодного теплоносителя котла-утилизатора насосом через регулятор расхода конденсированной воды вместе с топливом, в противоточном канале котла-утилизатора воду и топливо смешивают и нагревают от продуктов сгорания до образования смеси паров топлива и воды с температурой 350-400°С и давлением 20-70 кг/см², а далее смесь паров через коллектор подачи пара направляют в размещенный в камере сгорания канал конверсии смеси паров топлива и воды и нагревают от продуктов сгорания в присутствии катализатора с последующей конвертацией смеси в синтез-газ при температуре 700-900°С и давлении 20-50 кг/см² и подают синтез-газ вместе с частью непрореагировавших продуктов деструкции топлива и воды в качестве топлива из канала конверсии смеси паров топлива и воды для сжигания в горелки камеры сгорания.

5. Способ функционирования газотурбинной установки по п. 4, отличающийся тем, что конденсацию паров воды из продуктов сгорания осуществляют с выделением воды на внутренних стенках и впитыванием воды через проницаемые пористые стенки за счет капиллярных сил.