Система для утилизации тепла замкнутого типа (варианты) Российский патент 2017 года по МПК F02C6/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, может использоваться в комплексе с газотурбинными установками, в частности, в качестве дополнительной системы, повышающей энергоэффективность газотурбинной установки. Система является системой термодинамического преобразования, предназначена для утилизации тепла отходящих газов или жидкостей и может использоваться для комплексного теплоэнергоснабжения газотурбинной установки. Система может применяться как для широкого класса газотурбинных установок, используемых, например, в составе газоперекачивающих агрегатов, судовых силовых установок, газотурбинных энергоблоков, так и объектов нефтедобычи и транспортировки нефти, таких как трубчатые печи для деэмульсации нефти, а также на объектах химической и нефтехимической промышленности, объектах металлургии, атомных энергоблоках и атомных силовых установках. В системе могут использоваться различные теплоносители, как газообразные, так и жидкие, в том числе расплавы металлов. Изобретение может применяться и в иных устройствах и сооружениях для решения задач комплексного, автономного теплоэнергоснабжения.

Известна комбинированная газотурбинная установка для выработки электроэнергии и теплоты по патенту РФ на полезную модель №68597, F02C 6/00, 2007. Комбинированная газотурбинная установка для выработки электроэнергии и теплоты, содержит компрессор, основную камеру сгорания, камеру сгорания промежуточного подогрева, газовую турбину, электрогенератор переменного тока, рекуператор и утилизационный подогреватель воды. Установка дополнительно содержит воздушную турбину, соединенную с дополнительно введенным воздушным компрессором и электрогенератором переменного тока и снабженную утилизационным подогревателем воды. Недостатком является невысокий КПД установки, утилизирующей тепло выхлопных газов основной газовой турбины, невысокая эффективность ее использования.

Известна газотурбинная установка по патенту РФ на изобретение №2520214, F02C 6/00, 20.06.2014, содержащая воздушный компрессор, газовую турбину и электрогенератор, установленные на одном валу, теплообменник с нагревающимся и нагреваемым контурами, камеру сгорания, источник топлива. Установка дополнительно содержит установленные на отдельном валу воздушную турбину и потребитель мощности, второй теплообменник с нагревающимся и нагреваемым контурами, потребитель горячего воздуха и потребитель продуктов сгорания. Вход воздушной турбины соединен с выходом компрессора через нагреваемый контур теплообменника, выход воздушной турбины соединен с потребителем через нагревающий контур второго теплообменника. Недостаточная эффективность тракта сжатия воздуха установки и дополнительные потери на фильтроэлементах не позволяют достичь высокой эффективности газотурбинной установки. Кроме того, установка работает по разомкнутому циклу, из-за чего происходит постепенное загрязнение тракта обоих теплообменников, что приводит к дополнительному снижению эффективности как теплообменников, так и всей установки в целом. Загрязнение трата приводит также к необходимости дополнительных остановок описанной установки для выполнения процедур очистки теплообменников, что становится еще одним фактором, приводящим к снижению эффективности установки.

В качестве ближайшего аналога всем вариантам заявляемого технического решения выбран патент США на изобретение №4751814, F02C 6/00, 1985. Система термодинамического преобразования замкнутого типа для утилизации тепла, использующая в качестве рабочего тела воздух, включает как минимум первый и второй воздушные компрессоры, между которыми установлен промежуточный охладитель, установленный в потоке горячих газов теплообменник, как минимум одну воздушную турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель соединен с входом первого компрессора, и элемент передачи энергии потребителю. Недостаточно высокий коэффициента полезного действия и узкий спектр технических эффектов, получаемых при использовании системы термодинамического преобразования, приводят к невысокой эффективности ее работы.

Технической задачей заявляемого изобретения является улучшение потребительских характеристик системы для утилизации тепла замкнутого типа.

Технический результат заключается в повышении эффективности системы за счет увеличения полноты использования тепла потока теплоносителя и расширения возможностей использования системы.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, использующей в качестве рабочего тела воздух, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан со входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, и элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник.

Технический результат по первому варианту обеспечивается тем, что при установке на линии между вторым компрессором и теплообменником рекуператора в тракт системы возвращается часть неиспользованной в турбине тепловой энергии. Это происходит за счет подогрева воздуха с выхода компрессора воздухом с выхода турбины, что позволяет повысить температуру газа на входе в турбину, обеспечить повышение мощности, развиваемой турбиной, и повысить таким образом эффективность системы. Воздух с выхода турбины через рекуператор поступает в топливный теплообменник и обеспечивает возврат части тепловой энергии горячих газов в тракт газотурбинной установки за счет подогрева топлива, поступающего в газотурбинную установку, что приводит к повышению эффективности газотурбинной установки. Кроме того, температура воздуха с выхода турбины последовательно понижается в рекуператоре и топливном теплообменнике. Это позволяет снизить затраты энергии на охлаждение воздуха во втором промежуточном охладителе и дополнительно повысить эффективность системы. Таким образом, достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в системе замкнутого типа для утилизации тепла, использующей в качестве рабочего тела воздух, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан со входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним, последовательно связанные между собой подогреватель воздуха и топливный теплообменник.

Технический результат по второму варианту обеспечивается за счет того, что в систему дополнительно включен подогреватель воздуха, который устанавливают на линии между рекуператором и топливным теплообменником. Подогреватель обеспечивает нагрев воздуха, который используется для отопления отсеков газотурбинной установки при низких температурах окружающей среды. При этом исключаются затраты на электрическую энергию от сторонних источников или на подачу топлива для отопления, например, отсеков газотурбинной установки, что обеспечивает повышение эффективности системы. Далее воздух поступает в топливный теплообменник и обеспечивает за счет подогрева топлива возврат части тепловой энергии горячих газов в тракт газотурбинной установки, поступающего в газотурбинную установку, что приводит к повышению эффективности газотурбинной установки. Кроме того, температура воздуха с выхода турбины последовательно понижается в рекуператоре, воздушном подогревателе и топливном теплообменнике. Это позволяет снизить затраты энергии на охлаждение воздуха во втором промежуточном охладителе и дополнительно повысить эффективность системы. Таким образом достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, использующей в качестве рабочего тела воздух, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению выход второго компрессора соединен с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора соединен с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому в потоке второго теплоносителя.

Технический результат по третьему варианту обеспечивается дополнительно по отношению к первому варианту за счет установки блока клапанов и использования второго теплообменника, установленного во втором потоке теплоносителя. При выводе газотурбинной установки в режим «Холодный резерв», «Горячий резерв» или останове газотурбинной установки по другим причинам, например для ремонта или технического обслуживания, температура потока теплоносителя становится равной температуре окружающей среды, в результате мощность, вырабатываемая системой для термодинамического преобразования, становится равной нулю. При этом мощность, потребляемая остановленной газотурбинной установкой на режимах «Холодный резерв», составляет ориентировочно 30%, а на режиме «Горячий резерв» - около 60% от потребления на рабочем режиме. При работе газотурбинной установки на данных режимах длительное время, например несколько месяцев, затраты энергии на обеспечение таких режимов функционирования системы повлекут за собой существенное снижение эффективности как заявляемой системы, так и газотурбинной установки в целом. Поэтому при выводе газотурбинной установки в режим «Холодный резерв», «Горячий резерв» или останове, с помощью блока клапанов обеспечивают подключение к системе теплообменника, установленного во втором источнике теплоносителя, например, в выхлопе соседней газотурбинной установки. В результате исключается расход энергоресурсов от внешних источников, за счет чего обеспечивается повышение эффективности работы как системы для утилизации тепла, так и газотурбинной установки. Избыток мощности, вырабатываемой системой, может быть использован для обеспечения энергоснабжения иных объектов, что позволит дополнительно расширить возможности ее использования. Таким образом, достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

Технический результат по четвертому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, использующей в качестве рабочего тела воздух, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним последовательно подогреватель воздуха и топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

Технический результат по четвертому варианту обеспечивается дополнительно по отношению к третьему варианту за счет использования подогревателя, помимо установки блока клапанов, и использования второго теплообменника, установленного во втором потоке теплоносителя. Таким образом, так же, как и в третьем варианте, исключается расход энергоресурсов от внешних источников при выводе газотурбинной установки в режим «Холодный резерв», «Горячий резерв» или останове газотурбинной установки по другим причинам, например для ремонта или технического обслуживания. Избыток мощности, вырабатываемой системой, может быть использован для обеспечения работоспособности иных объектов, что позволит дополнительно расширить возможности ее использования. Подогреватель обеспечивает нагрев воздуха, который используется для отопления отсеков газотурбинной установки при низких температурах окружающей среды. При этом исключаются затраты электрической энергии и подача топлива от сторонних источников на обогрев отсеков газотурбинной установки. Обеспечивается повышение эффективности системы и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, повышается эффективность работы газотурбиной установки в целом.

Технический результат по пятому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник.

Технический результат по пятому варианту обеспечивается за счет использования в описанной по первому варианту замкнутой системе в качестве рабочего тела сжатого углекислого газа давлением до 6 МПа. В системе для утилизации тепла замкнутого типа, содержащей между вторым компрессором и теплообменником рекуператор, в тракт системы возвращается часть неиспользованной в турбине тепловой энергии. Это происходит за счет подогрева углекислого газа с выхода компрессора углекислым газом с выхода турбины, что позволяет повысить температуру газа на входе в турбину, обеспечить повышение мощности, развиваемой турбиной, и повысить таким образом эффективность системы. Углекислый газ с выхода турбины через рекуператор поступает в топливный теплообменник и обеспечивает возврат части тепловой энергии горячих газов в тракт газотурбинной установки за счет подогрева топлива, поступающего в газотурбинную установку, что приводит к повышению эффективности газотурбинной установки. Кроме того, температура углекислого газа с выхода турбины последовательно понижается в рекуператоре и топливном теплообменнике. Это позволяет снизить затраты энергии на охлаждение углекислого газа во втором промежуточном охладителе и дополнительно повысить эффективность системы. Применение в замкнутой системе в качестве рабочего тела сжатого углекислого газа обеспечивает существенное снижение потерь на сжатие газа в первом и втором компрессорах из-за термодинамических свойств сжатого углекислого газа. Оптимальное давление углекислого газа в диапазоне до 6 МПа выбирается из условия исключения переход сжатого углекислого газа в жидкое состояние во всем диапазоне температур окружающей среды. Это позволяет обеспечить дополнительное повышение коэффициента полезного действия системы ориентировочно на 4%-5% по сравнению с системой, использующей в качестве рабочего тела сжатый воздух. Таким образом, достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

Технический результат по шестому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель соединен с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним, последовательно связанные между собой подогреватель воздуха и топливный теплообменник.

Технический результат по шестому варианту обеспечивается за счет использования в замкнутой системе в качестве рабочего тела сжатого углекислого газа давлением до 6 МПа и использования дополнительно к пятому варианту подогревателя воздуха. Углекислый газ с выхода турбины через рекуператор поступает в воздушный подогреватель, который обеспечивает подогрев воздуха, используемого для отопления при низких температурах окружающей среды, например отсеков газотурбинной установки. При этом исключаются затраты на электрическую энергию или на подачу топлива от сторонних источников для отопления, что обеспечивает повышение эффективности системы. Температура углекислого газа с выхода турбины последовательно понижается в рекуператоре, воздушном подогревателе и топливном теплообменнике. Это позволяет снизить затраты энергии на охлаждение углекислого газа во втором промежуточном охладителе и дополнительно повысить эффективность системы.

Технический результат по седьмому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан со входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, выход теплообменника связан с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

Технический результат по седьмому варианту обеспечивается так же, как и в третьем варианте, за счет установки блока клапанов и использования второго теплообменника, установленного во втором потоке теплоносителя, за счет чего исключается расход энергоресурсов от внешних источников, обеспечивается повышение эффективности работы как системы для утилизации тепла, так и газотурбинной установки. Избыток мощности, вырабатываемой системой, может быть использован для обеспечения энергоснабжения иных объектов, что позволит дополнительно расширить возможности ее использования. Кроме того, использование в системе углекислого газа давлением до 6 МПа позволяет обеспечить дополнительное повышение коэффициента полезного действия системы ориентировочно на 4%-5% по сравнению с системой, использующей в качестве рабочего тела сжатый воздух. Таким образом, достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

Технический результат по восьмому варианту достигается тем, что в системе для утилизации тепла замкнутого типа, содержащей как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, выход теплообменника соединен с турбиной, элемент передачи энергии потребителю, согласно изобретению в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним последовательно подогреватель воздуха и топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

Технический результат по восьмому варианту по отношению к вышеописанным вариантам обеспечивается совокупностью использования в качестве рабочего тела замкнутой системы углекислого газа давлением до 6 МПа, использованием подогревателя воздуха и применением блока клапанов, связанного с теплообменником, установленным в во втором потоке теплоносителя. Таким образом, так же, как и в четвертом варианте, исключается расход энергоресурсов от внешних источников при выводе газотурбинной установки в режим «Холодный резерв». «Горячий резерв» или останове газотурбинной установки по другим причинам, например для ремонта или технического обслуживания. Избыток мощности, вырабатываемой системой, может быть использован для обеспечения энергоснабжения иных объектов, что позволит дополнительно расширить возможности ее использования. Подогреватель обеспечивает подогрев воздуха, который используется для отопления отсеков газотурбинной установки при низких температурах окружающей среды. При этом исключаются затраты электрической энергии и подача топлива от сторонних источников на обогрев отсеков газотурбинной установки. Обеспечивается повышение эффективности системы и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, повышается эффективность работы газотурбиной установки в целом. Применение в качестве рабочего тела углекислого газа позволяет обеспечить дополнительное повышение коэффициента полезного действия системы ориентировочно на 4-5% по сравнению с системой, использующей в качестве рабочего тела сжатый воздух. Таким образом, достигается повышение эффективности и расширяется спектр применения энергии, получаемой при работе системы, а также повышается эффективность работы газотурбинной установки в целом.

На фигуре 1 представлена схема системы для утилизации тепла замкнутого типа по первому и пятому вариантам.

На фигуре 2 представлена схема системы для утилизации тепла по второму и шестому вариантам.

На фигуре 3 представлена схема системы для утилизации тепла замкнутого типа по третьему и седьмому вариантам.

На фигуре 4 представлена схема системы для утилизации тепла замкнутого типа по четвертому и восьмому вариантам.

Система для утилизации тепла содержит элемент передачи энергии потребителю, выполненный в виде вала 1, который может быть как единым валом, так и составным со средствами передачи вращения между его частями. Вал 1 связан с первым и вторым компрессорами 2 и 3, с турбиной 4 и потребителем 5, в качестве потребителя может быть применен электрогенератор или механический потребитель энергии, например компрессор или насос. Между первым 2 и вторым 3 компрессорами установлен связанный с ними промежуточный охладитель 6. Выход второго компрессора 3 через первый вход-выход рекуператора 7 соединен с теплообменником 8, установленным в потоке теплоносителя, в частности в потоке горячих газов выхлопного тракта 9 газотурбинной установки 10. Выход теплообменника 8 соединен со входом турбины 4. Выход турбины 4 связан со вторым промежуточным охладителем 13 через второй вход-выход рекуператора 7 и последовательно установленный за ним топливный теплообменник 11. В топливный теплообменник 11 подается топливный газ из линии подачи топлива 12 в газовую турбину газотурбинной установки 10. Выход топливного теплообменника 11 соединен со входом второго промежуточного охладителя 13. Выход промежуточного охладителя 13 соединен со входом первого компрессора 2. Промежуточные охладители 6 и 13 снабжены вентиляторами, подающими поток воздуха из внешней среды для охлаждения сжатого воздуха, циркулирующего в системе термодинамического преобразования. В тракте замкнутой системы для утилизации в вариантах с первого по четвертый циркулирует сжатый воздух, а по пятому - восьмому вариантам - углекислый газ. В системе возможно использование жидкого теплоносителя, например продуктов химических реакций при использовании системы в химическом производстве, использование силиконового масла, расплавов металлов при использовании установки в атомной энергетике или в составе атомных силовых установок.

Система для утилизации тепла по второму, четвертому, шестому и восьмому вариантам в дополнение к остальным вариантам содержит подогреватель воздуха 14. Выход турбины 4 соединен со вторым промежуточным охладителем 13 через второй вход-выход рекуператора 7 и последовательно установленный за ним подогреватель воздуха 14 и топливный теплообменник 11. Подогреватель воздуха 14 снабжен вентилятором, подающим поток воздуха из внешней среды на обогрев, например, газовой турбины газотурбинной установки 10.

В системе для утилизации тепла по третьему, четвертому, седьмому и восьмому вариантам в отличие от остальных вариантов, первый выход рекуператора 7 соединен с первым входом блока клапанов 17. Первый выход этого блока клапанов 17 соединен с входом турбины 4, вторые вход и выход блока клапанов 17 подключены к теплообменнику 8, установленному в потоке теплоносителя выхлопного тракта 9 газотурбинной установки 10, а третий выход и третий вход блока клапанов 17 подключены ко второму теплообменнику 18, установленному в потоке теплоносителя другого выхлопного тракта 19.

Предназначенные для установки в системе утилизации тепла компрессоры 2 и 3, а также турбина 4 разрабатываются для каждого значения мощности газотурбинной установки 10, кроме того, все теплотехническое оборудование, а именно воздушный подогреватель 14, промежуточные охладители 6 и 13, рекуператор 7 и теплообменники 8 и 18 также относятся к специализированному оборудованию, разрабатываемому и изготавливаемому специально для каждого значения мощности установок. Уровень технологий, необходимый для производства компрессоров 2 и 3, турбины 4 и теплотехнического оборудования соответствует современному уровню предприятий авиационного двигателестроения. В качестве потребителя 5 в системе может использоваться серийный высокооборотный генератор, например производимый компанией SKF, или серийный специализированный компрессор. Элементы системы утилизации тепла связаны между собой трубопроводами.

Система для утилизации тепла газов выходного тракта работает следующим образом.

Для всех восьми вариантов запуск системы термодинамического преобразования производится при температуре теплоносителя, омывающего теплообменник 8, достигшей уровня, соответствующего нижней границе рабочего диапазона 250°С…300°С. При использовании в качестве потребителя высокооборотного генератора, на начальном этапе запуска системы термодинамического преобразования электрогенератор 5 переводится в двигательный режим, на него подается напряжение, под действием которого начинают вращаться валы компрессоров 2 и 3, а также турбины 4, и циркулирующий в системе газ нагревается в теплообменнике 8. Когда температура на входе в промежуточные охладители 6 и 13 достигает заданного значения, например более 30°С, при пуске в условиях холодного климата, включаются вентиляторы промежуточных охладителей 6 и 13. При увеличении частоты вращения валов компрессоров 2 и 3 и турбины 4 мощность, развиваемая турбиной 4, становится больше, чем суммарная мощность, потребляемая компрессорами 2 и 3. Электрический генератор переключается в генераторный режим, и далее увеличение частоты вращения компрессоров 2 и 3, а также турбины 4 производится за счет энергии нагретого в теплообменнике 8 газа. Частота вращения валов компрессоров 2 и 3, а также турбины 4 достигает значения, соответствующего минимальному установившемуся режиму. При этом электрической энергии, вырабатываемой электрогенератором 5 становится достаточно для собственных нужд системы и электроснабжения газотурбинной установки, работающей на режиме «Холодный резерв». Система может быть также выведена на промежуточный режим, при котором генерируемой энергии достаточно для собственных нужд и электроснабжения ГТУ на режиме «Горячий резерв», либо на номинальный режим работы, при котором генерируемая мощность соответствует номинальной мощности электрического генератора 5.

При начале вращения турбины 4 и компрессоров 2 и 3 газ, поступающий в первый компрессор 2, сжимается, при этом повышаются его давление и температура. После чего этот газ поступает на первый промежуточный охладитель 6, в котором его температура понижается. Из промежуточного охладителя 6 газ поступает во второй компрессор 3 и дополнительно сжимается в нем. Предварительное снижение температуры сжатого газа в промежуточном охладителе 6 позволяет значительно уменьшить мощность, потребляемую вторым компрессором 3 на сжатие газа. Газ, сжатый и нагревшийся при сжатии в компрессоре 3, с выхода этого компрессора 3 поступает на первый вход рекуператора 7, в котором происходит его предварительный подогрев газом с выхода турбины 4. Это позволяет повысить температуру газа на входе в турбину 4 и обеспечить повышение механической мощности на валу турбины 4. С первого выхода рекуператора 7 подогретый газ поступает на теплообменник 8, установленный в высокотемпературном потоке теплоносителя. Дополнительно подогретый в теплообменнике 8 газ поступает в турбину 4, в которой энергия сжатого и нагретого газа преобразовывается в механическую энергию, которая расходуется на работу компрессоров 2 и 3, а избыток энергии передается с помощью вращающегося вала 1 потребителю, например электрогенератору 5. Температура и давление газа, отдавшего энергию на механическую работу в турбине 4, понижаются. Газ, отдавший часть своей энергии турбине 4, поступает на второй вход рекуператора 7, где отдает часть остаточного тепла газу с выхода компрессора 3, увеличивая тем самым тепловую энергию, направляемую в турбину 4. Частично охлажденный в рекуператоре 7 газ попадает в топливный теплообменник 11, где происходит следующая стадия его охлаждения за счет передачи части тепла топливу, поступающему по линии подачи топлива 12. За счет такого подогрева топлива повышается эффективность работы газотурбинной установки. Температура газа, вышедшего из турбины 4, последовательно понижается в рекуператоре 8 и топливном теплообменнике 11, что позволяет снизить затраты энергии на охлаждение газа в промежуточном охладителе 13 и соответственно повысить эффективность работы системы для утилизации тепла. Охлажденный газ с выхода промежуточного охладителя 13 подается на вход первого компрессора 3, где вновь происходит стадия сжатия газа.

При останове газотурбинного агрегата происходит последовательное понижение температуры теплоносителя, омывающего теплообменник 8. Такое понижение температуры приводит к уменьшению механической мощности турбины 4. Вырабатываемая турбиной мощность становится меньше суммы мощностей компрессоров 2 и 3 и потребляемой энергии потребителем 5, что приводит к постепенному снижению частоты вращения, а затем и к прекращению вращения компрессоров 2 и 3, а также турбины 4 и останову системы.

Работа системы для утилизации тепла из потока нагретых газов по второму варианту происходит вышеописанным способом, за исключением того, что газ с выхода рекуператора 7 попадает на вход подогревателя воздуха 14, где отдает часть своего тепла воздуху, используемому для отопления отсеков газотурбинной установки, или на иные технологические цели. С выхода подогревателя воздуха 14 газ направляется на вход топливного теплообменника 11. Использование теплого воздуха с выхода подогревателя 14 для обогрева, например, отсеков газотурбинной установки позволяет исключить затраты энергии от сторонних источников на ее обогрев. Дополнительное снижение температуры газа с выхода турбины 4 в подогревателе воздуха 14 обеспечивает уменьшение затрат энергии на охлаждение газа в промежуточном охладителе 13, что в совокупности приводит к дополнительному повышению эффективности системы для термодинамического преобразования, а также обеспечивает расширение возможностей его применения.

Работа системы по третьему и четвертому варианту исполнения происходит по вышеописанным для первого и второго вариантов способам, за исключением того, что при выводе газотурбинной установки в режим «Холодный резерв», «Горячий резерв» или останове ее по другим причинам, например для ремонта или технического обслуживания, подогретый газ с первого выхода рекуператора 7 через блок клапанов 17 поступает на вход теплообменника 18. Теплообменник 18 установлен в другом источнике теплоносителя, например в выхлопе соседней газотурбинной установки. С выхода теплообменника 18 через блок клапанов 17 нагретый газ поступает на вход турбины 4. Далее процесс происходит по способу, указанному для первого варианта, или по способу, указанному для второго варианта, если в системе используется подогреватель воздуха 14.

Работа системы по пятому варианту происходит так же, как по первому варианту, за исключением того, что в тракте системы используется сжатый углекислый газ с давлением до 6 МПа. Конкретные значения давления углекислого газа в различных точках тракта выбирают так, чтобы исключить переход сжатого углекислого газа в жидкое состояние во всем диапазоне температур окружающей среды, например от -50 до +45°С. Начальное давление углекислого газа создается при заполнении тракта от внешнего источника сжатого газа, например от газового баллона.

Работа системы по шестому, седьмому и восьмому вариантам происходит гак же, как по второму, третьему и четвертому вариантам соответственно, за исключением того, что в тракте системы используется сжатый углекислый газ.

Для современной газотурбинной установки типа ГТУ-25П мощностью 25 МВт применение предлагаемой системы для утилизации тепла позволяет получить дополнительную мощность до 5 МВт при неизменном потреблении топливного газа. При этом эквивалентный коэффициент полезного действия газотурбинной установки ГТУ-25П повышается с 39,3% почти до 48%.

Изобретение позволяет повысить полноту использования тепловой энергии выходных газов и расширить возможности применения вырабатываемой тепловой и электрической энергии, за счет чего повысить эффективность использования системы для утилизации тепла отходящих газов.

Изобретение относится к энергетике. Система для утилизации тепла замкнутого типа содержит первый и второй компрессоры, выход второго компрессора соединен с теплообменником в выходном тракте газотурбинной установки через рекуператор. К валу дополнительно подключен потребитель, а выход турбины соединен со вторым промежуточным охладителем через рекуператор и последовательно установленный за ним топливный теплообменник. По второму варианту в систему дополнительно включен подогреватель воздуха, расположенный между рекуператором и топливным подогревателем. По третьему варианту в систему включен блок клапанов. Первый выход рекуператора соединен с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов соединен с входом турбины. Выход турбины соединен со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник. Вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в источнике теплоносителя. Третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому в потоке второго источника теплоносителя. По четвертому варианту в систему включен блок клапанов и подогреватель воздуха. По пятому варианту тракт системы по варианту один заполнен сжатым углекислым газом. По шестому варианту в тракте системы используется сжатый углекислый газ и подогреватель воздуха. По седьмому варианту в тракте системы используется сжатый углекислый газ и блок клапанов, связанный с теплообменником, устанавливаемым в другом источнике теплоносителя. По восьмому варианту в тракте системы используется сжатый углекислый газ, подогреватель воздуха и блок клапанов, связанный с теплообменником, устанавливаемым в другом источнике теплоносителя. Изобретение позволяет повысить полноту использования тепловой энергии теплоносителя и расширить возможности применения вырабатываемой тепловой и электрической или механической энергии. 8 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система для утилизации тепла замкнутого типа, использующая в качестве рабочего тела воздух, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан со входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, и элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника соединен с турбиной, отличающаяся тем, что выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник.

2. Система для утилизации тепла замкнутого типа, использующая в качестве рабочего тела воздух, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан со входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним, последовательно связанные между собой подогреватель воздуха и топливный теплообменник.

3. Система для утилизации тепла замкнутого типа, использующая в качестве рабочего тела воздух, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что выход второго компрессора соединен с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора соединен с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

4. Система для утилизации тепла замкнутого типа, использующая в качестве рабочего тела воздух, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним последовательно подогреватель воздуха и топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

5. Система для утилизации тепла замкнутого типа, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник.

6. Система для утилизации тепла замкнутого типа, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с теплообменником, устанавливаемым в потоке теплоносителя, через первый вход-выход рекуператора, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним, последовательно связанные между собой подогреватель воздуха и топливный теплообменник.

7. Система для утилизации тепла замкнутого типа, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель соединен с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и последовательно установленный за ним топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.

8. Система для утилизации тепла замкнутого типа, содержащая как минимум первый и второй компрессоры, связанные между собой через промежуточный охладитель, хотя бы одну турбину, выход которой через второй промежуточный охладитель связан с входом первого компрессора, теплообменник, устанавливаемый в первом потоке теплоносителя, элемент передачи энергии потребителю, выход теплообменника связан с турбиной, отличающаяся тем, что в качестве рабочего тела используется углекислый газ при давлении не более 6 МПа, выход второго компрессора связан с первым входом рекуператора, первый выход рекуператора связан с первым входом блока клапанов, а первый выход блока клапанов связан с входом турбины, выход турбины связан со вторым промежуточным охладителем через второй вход-выход рекуператора и установленные за ним последовательно подогреватель воздуха и топливный теплообменник, вторые вход и выход блока клапанов подключены к теплообменнику, устанавливаемому в первом потоке теплоносителя, а третий выход и третий вход блока клапанов подключены ко второму теплообменнику, устанавливаемому во втором потоке теплоносителя.