ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОМБИНИРОВАННОГО ЦИКЛА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ВЫРАБОТКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2018 года по МПК F01K23/06 

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описанные в настоящем документе варианты выполнения изобретения, в целом, относятся к системам для получения механической энергии за счет рекуперации тепла.

ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Органический цикл Ренкина (ОЦР), использующийся в качестве альтернативы известному пароводяному циклу Ренкина для процессов рекуперации отработанного тепла, применяется для приведения в действие электрогенераторов, с преобразованием при этом использованного тепла в полезную электроэнергию.

Фиг.1 иллюстрирует комбинированный цикл для выработки электроэнергии газовой турбиной с использованием ОЦР. Органический цикл Ренкина используется для рекуперации тепла отработавших газов газовой турбины и преобразования его в электрическую энергию с помощью двойной замкнутой системы. Номер 101 позиции обозначает газовую турбину, используемую, например, в качестве первичного привода электрогенератора, схематически изображенного номером 102 позиции. Отработавшие газы газовой турбины 101 охлаждаются в теплообменнике 103, из которого с помощью первого замкнутого контура 104 извлекается тепло. В первом замкнутом контуре 104 в качестве жидкого теплоносителя для передачи тепла, выделяемого газовой турбиной 101, текучей среде, циркулирующей во втором замкнутом контуре 105, используется диатермическое масло. Первый замкнутый контур 104 содержит насос 106 и три последовательно расположенных теплообменника 107, 108 и 108а, при этом тепло передается от диатермического масла текучей среде, циркулирующей во втором замкнутом контуре 105.

Второй замкнутый контур 105 представляет собой термодинамический цикл, основанный на принципе Ренкина, в котором рабочая текучая среда представляет собой органическую текучую среду, в частности, тяжелый углеводород, например, циклопентан или жидкий хладагент с соответствующими характеристиками.

Рабочая текучая среда, циркулирующая во втором замкнутом контуре 105, нагревается, испаряется и перегревается в трех последовательно расположенных теплообменниках, соответственно, 108а, 108 и 107, и расширяется в турбодетандере 109. Термодинамические характеристики рабочей текучей среды обеспечивают испарение с отводом сухого пара, то есть рабочая текучая среда, которая находится с нагнетательной стороны турбодетандера 109, еще находится в газообразном состоянии. Рекуператор 110 расположен ниже по потоку от турбодетандера 109. В рекуператоре 110 горячая расширенная текучая среда обменивается теплом с холодной рабочей текучей средой под высоким давлением, полученной путем конденсации расширенной текучей среды в конденсаторе 112, а затем перекачивают конденсат с помощью насоса 113 при требуемом верхнем давлении термодинамического цикла. Жидкость, доставляемая с помощью насоса 113, перекачивается через рекуператор 110, а затем через предварительный нагреватель, испаритель и теплообменники 108а, 108, 107 перегревателя, замыкая контур.

Турбодетандер 109 механически соединен с электрогенератором 115, который преобразует механическую мощность на выходном валу турбодетандера 109 в электроэнергию.

Диатермическое масло и органическая текучая среда циркулируют по двум замкнутым контурам и обеспечивают эффективное использование низкотемпературных источников тепла для выработки электроэнергии различной выходной мощности.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В вариантах выполнения изобретения предлагается комбинированная термодинамическая система для выработки механической энергии, содержащая газовую турбину; турбомашину, приводимую в действие указанной газовой турбиной; термодинамический органический цикл Ренкина, содержащий турбодетандер; схему теплопередачи для передачи тепла от отработавших газов сгорания указанной газовой турбины к указанному термодинамическому органическому циклу Ренкина, турбомашину, приводимую в действие указанным турбодетандером. Преимущественно, указанный турбодетандер представляет собой многоступенчатый турбодетандер со встроенным редуктором. В некоторых вариантах выполнения турбомашина, приводимая в действие газовой турбиной и турбодетандером на основе органического цикла Ренкина, может содержать один или несколько компрессоров, например центробежные компрессоры или компрессорные блоки.

Оба термодинамических цикла используются для целей механического привода. Система преимущественно используется в установках, в которых механическая энергия необходима для приведения в действие одной или нескольких турбомашин и в которых выработка электроэнергии не является необходимой или целесообразной. В частности, система, работающая на основе органического цикла Ренкина, используется на участках, в которых вода отсутствует или ее недостаточно для осуществления пароводяного цикла Ренкина.

Система может быть использована в нефтегазовых установках. Например, газовая турбина и турбодетандер могут использоваться для приведения в действие компрессоров компрессорной станции или системы для сжижения природного газа.

В соответствии с дополнительным аспектом, настоящее изобретение относится к способу выработки механической энергии и приведения в действие турбомашины, включающему следующие этапы:

использование газовой турбины;

выработку механической энергии с помощью указанной газовой турбины и приведение в действие турбомашины;

передачу тепла от отработавших газов сгорания указанной газовой турбины к органическому циклу Ренкина;

выработку механической энергии с использованием указанного органического цикла Ренкина посредством многоступенчатого турбодетандер со встроенным редуктором, и приведение в действие турбомашины.

Признаки и варианты выполнения описаны ниже в данном документе и дополнительно изложены в пунктах прилагаемой формулы изобретения, являющейся неотъемлемой частью настоящего описания. В приведенном выше описании сущности изобретения приведены признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения, изложенные ниже в подробном описании и предназначенные для лучшего понимания и оценки существующего уровня техники. Имеются также другие признаки изобретения, которые будут описаны ниже и изложены в прилагаемой формуле изобретения. При этом, перед тем, как будут подробно описаны несколько вариантов выполнения настоящего изобретения, следует понимать, что при использовании различные варианты выполнения изобретения не ограничены элементами конструкции и расположением компонентов, приведенных в последующем описании или показанных на чертежах. Изобретение допускает также другие варианты выполнения и осуществляется на практике различными способами. Также понятно, что формулировки и терминология, используемые в данном документе, употребляются лишь для описания и не должны считаться ограничивающими изобретение.

Таким образом, специалистам будет понятно, что концепция, на которой основано раскрытие изобретения, может легко использоваться как основа для разработки других устройств, способов и/или систем для реализации некоторых целей настоящего изобретения. Таким образом, формулу изобретения следует рассматривать как включающую указанные эквивалентные конструкции, поскольку они не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Раскрытые варианты выполнения изобретения и его соответствующие преимущества будут более понятны со ссылкой на последующее подробное описание, рассмотренное вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует систему комбинированного цикла для выработки электроэнергии газовой турбиной с использованием ОЦР, выполненную в соответствии с предшествующим уровнем техники;

Фиг.2 иллюстрирует систему комбинированного цикла для выработки электроэнергии газовой турбиной с использованием ОЦР, для целей механического привода, выполненную в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3 и 4 схематично иллюстрируют основные характеристики двухступенчатого турбодетандера.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Последующее подробное описание иллюстративных вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Кроме того, указанные чертежи не обязательно выполнены в масштабе. При этом последующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместе с тем, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения.

Ссылка в данном описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения», или на «некоторые варианты выполнения» означает, что определенный признак, конструкция или характеристика, описанные применительно к вышеуказанному варианту выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения настоящего изобретения. Таким образом, фраза «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» или «в некоторых вариантах выполнения», встречающаяся в описании изобретения, не обязательно относится к одному варианту выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым соответствующим образом в одном или нескольких вариантах выполнения.

Как показано на Фиг.2, номер позиции 1 обозначает газовую турбину для приведения в действие нагрузки 2. В некоторых иллюстративных вариантах выполнения нагрузка может представлять собой компрессор или компрессорный блок. Например, газовая турбина 1 может использоваться для приведения в действие одного или нескольких компрессоров, расположенных в установке для сжижения природного газа или в компрессорной станции. В некоторых вариантах выполнения газовая турбина 1 может представлять собой турбину, разработанную для применения в тяжелых условиях. В других вариантах выполнения газовая турбина 1 может представлять собой газовую турбину на базе авиационного двигателя.

В газовой турбине 1 образуются высокотемпературные отработавшие газы сгорания. Перед выбросом отработавших газов сгорания в атмосферу, отходящее тепло отработавших газов сгорания, по меньшей мере частично, рекуперируется с использованием органического цикла Ренкина, как описано ниже в настоящем документе.

Для рекуперации тепла, в иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг.2, перед выбросом в атмосферу поток отработавших газов сгорания направляется через регенеративный теплообменник 3.

Первый замкнутый контур 4 используется для отвода тепла из теплообменника 3 и его передачи во второй замкнутый контур 5. В первом замкнутом контуре 4 теплопередающая среда, например диатермическое масло, используется для передачи тепла от отработавших газов сгорания во второй замкнутый контур 5. Номер позиции 6 обозначает циркуляционный насос первого замкнутого контура 4.

Второй замкнутый контур 5 представляет собой термодинамический цикл, а именно органический цикл Ренкина. Рабочая текучая среда, циркулирующая во втором замкнутом контуре 5, подлежит термодинамическому преобразованию, в том числе конденсации, перекачке, нагреву, испарению, перегреву, расширению, с целью преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Соответствующая рабочая текучая среда, например, циклопентан или другая подходящая органическая рабочая текучая среда, использующаяся в органическом цикле Ренкина, циркулирует во втором замкнутом контуре 5.

В некоторых иллюстративных вариантах выполнения второй замкнутый контур 5 содержит циркуляционный насос 7, предварительный нагреватель 9а, испаритель 9, перегреватель 11, турбодетандер 13, рекуператор 15 и конденсатор 17. В замкнутом контуре могут размещаться дополнительные компоненты, известные специалистам в данной области техники, например расширительная камера.

Рабочая текучая среда, находящаяся в жидком состоянии, циркулирующая во втором замкнутом контуре 5, перекачивается под первым, высоким, давлением с помощью циркуляционного насоса 7. Текучая среда под давлением нагревается в предварительном нагревателе 9а, в испарителе 9 и в перегревателе 11 за счет тепла, извлеченного с помощью текучей среды, циркулирующей в первом замкнутом контуре 4. Количество и расположение теплообменников может быть разным, например, может быть предусмотрено только два теплообменника, соответственно, предварительный нагреватель и перегреватель.

На выходе из перегревателя 11 рабочая текучая среда, циркулирующая во втором замкнутом контуре 5, находится в перегретом, газообразном состоянии под высоким давлением. Затем перегретая рабочая текучая среда под высоким давлением расширяется в турбодетандере 13. Выпущенная 7 рабочая текучая среда, выходящая из турбодетандера 13 при втором, низком, давлении, проходит через рекуператор 15 тепла и, в конечном итоге, конденсируется в конденсаторе 17. Конденсация достигается, например, посредством теплообмена между конденсируемой рабочей текучей средой и наружным воздухом или водой.

В рекуператоре 15 низкотемпературная расширенная текучая среда, выходящая из турбодетандера 13, обменивается теплотой с холодной рабочей средой под давлением, подаваемой циркуляционным насосом 7.

В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 2, турбодетандер 13 используется в качестве механического привода для приведения в действие нагрузки. Посредством механической трансмиссии 19 турбодетандер 13 может быть механически соединен с приводной турбомашиной 21. Турбомашина 21 может представлять собой компрессор, например, центробежный компрессор или осевой компрессор. В других вариантах выполнения турбомашина 21 может представлять собой насос или другую приводную турбомашину.

В некоторых не показанных иллюстративных вариантах выполнения может отсутствовать первый закрытый контур 4. В этом случае тепло передается непосредственно из выхода газовой турбины в органический цикл Ренкина. Нагреватель 9 и перегреватель 11 могут быть интегрированы в теплообменник 3. Полученная более компактная установка обладает меньшей теплопотерей и более высоким общим коэффициентом полезного действия системы.

В некоторых вариантах выполнения турбодетандер 13 может представлять собой многоступенчатый турбодетандер со встроенным редуктором. На Фиг. 2 показан двухступенчатый турбодетандер 13 со встроенным редуктором.

Таким образом, часть тепла отработавших газов сгорания, выходящих из газовой турбины 1, превращается в полезную механическую энергию, увеличивающую общий коэффициент полезного действия системы и ее полную механическую энергию.

Указанная система рекуперации тепла была описана с целью увеличения коэффициента полезного действия газотурбинной установки, в которой горячие отработавшие газы сгорания газовой турбины охлаждаются перед выпуском в атмосферу. Диапазон температур отработавших газов сгорания позволяет преобразовать тепло в механическую энергию с использованием органического цикла Ренкина. Термодинамический цикл не предусматривает воду, поэтому он может использоваться там, где вода отсутствует и не может использоваться стандартный паровой цикл.

Приводная турбомашина 21, например, центробежный компрессор, может использоваться для обработки охлаждающей текучей среды в системе СПГ или для направления газа в трубопровод.

Фиг. 3 и 4 схематично иллюстрируют основные характеристики двухступенчатого турбодетандера 13, который может быть собой использован в цикле 5 ОЦР, показанном на Фиг. 2. Турбодетандер 13 содержит первую ступень 13А высокого давления и вторую ступень 13В низкого давления. Рабочая текучая среда поступает в первую ступень 13А высокого давления турбодетандера 13, выходит из первой ступени 13А турбодетандера, поступает по трубопроводу 24 ко входному отверстию второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13.

Между двухступенчатым турбодетандером 13 и приводной турбомашиной 21 предусмотрена механическая трансмиссия 19.

В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 3, механическая трансмиссия 19 содержит зубчатую передачу 20 с двумя приводными входными валами и одним ведомым выходным валом. Указанные приводные входные валы представляют собой валы многоступенчатого турбодетандера 13 со встроенным редуктором. Выходной вал соединен с валом приводной турбомашины 21. Номер позиции 31А обозначает первый входной вал, с которым соединено первое рабочее колесо первой ступени 13А высокого давления турбодетандера 13. Таким образом, первый входной вал 31А вращается со скоростью вращения рабочего колеса первой ступени высокого давления турбодетандера 13. Рабочее колесо второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13 соединено со вторым входным валом 31В, который вращается со скоростью вращения рабочего колеса второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13.

Как лучше всего видно на Фиг. 4, иллюстрирующем схематическое изображение механической трансмиссии 19 на виде спереди по линии IV-IV, показанной на Фиг. 3, зубчатая передача 20 содержит первое зубчатое колесо 33А, установленное на первом входном валу 31А, и второе зубчатое колесо 33В, установленное на втором входном валу 31В. Указанные два зубчатых колеса 33А и 33В находятся в зацеплении с центральным коронным колесом 34. Третье зубчатое колесо 33С зубчатой передачи 20 установлено на выходном валу 19А, соединенном посредством, например, соединительных муфт 22, с валом приводной турбомашины 21.

Первое, второе и третье зубчатые колеса 33А, 33В и 33С преимущественно имеют диаметр, который меньше, чем диаметр центрального коронного колеса 34.

В некоторых вариантах выполнения третье зубчатое колесо 33С имеет диаметр, который меньше, чем диаметр центрального коронного колеса 34, чтобы увеличить скорость вращения выходного вала 19А, соединенного с приводной турбомашиной 21.

Более высокая скорость выходного вала 19А обеспечивает более легкое приведение в действие центробежного компрессора 21, который должен вращаться с более высокой скоростью вращения.

Первое и второе зубчатые колеса 33А и 33В имеют разные диаметры, чтобы обеспечить оптимальную скорость вращения для каждого рабочего колеса указанной первой и второй ступени турбодетандера 13.

Преимущественно, это техническое решение со встроенным редуктором особенно полезно в системах СПГ или в трубопроводных компрессорных станциях.

Кроме того, варианты выполнения, показанные на Фиг. 3 и 4, увеличивают коэффициент полезного действия фазы расширения, поскольку каждое рабочее колесо может вращаться с оптимальной скоростью вращения.

Более того, вариант выполнения, содержащий несколько рабочих колес, обеспечивает возможность использования в полной мере всего перепада давления перегретой рабочей текучей среды под высоким давлением.

Несмотря на то что раскрытые варианты выполнения изобретения были показаны на чертежах и подробно описаны выше вместе с несколькими иллюстративными вариантами выполнения, специалистам в этой области техники должно быть понятно, что возможны различные модификации, изменения и исключения; не отступая от изложенных новых идей изобретения, принципов и концепций, а также преимуществ изобретения, приведенных в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, соответствующий объем раскрытых усовершенствований должен определяться расширительным толкованием прилагаемой формулы изобретения с тем, чтобы охватить все упомянутые модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любых этапов процесса или способа могут быть изменены или повторно последовательно установлены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.

Изобретение относится к энергетике. Представлена термодинамическая система комбинированного цикла для выработки механической энергии. Система содержит газовую турбину и турбомашину, приводимую в действие указанной газовой турбиной. Система дополнительно содержит термодинамический органический цикл Ренкина с турбодетандером. Система теплопередачи передает тепло от отработавших газов сгорания газовой турбины к термодинамическому органическому циклу Ренкина, при этом тепло преобразуется в механическую энергию, используемую для приведения в действие турбомашины. Изобретение позволяет повысить эффективность выработки механической энергии.

2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Термодинамическая система комбинированного цикла для выработки механической энергии, содержащая:

газовую турбину (1);

турбомашину (2), содержащую компрессор или компрессорный блок и приводимую в действие указанной газовой турбиной (1);

термодинамический органический цикл Ренкина, содержащий многоступенчатый турбодетандер (13);

систему (9а, 9, 11) теплопередачи для передачи тепла от отработавших газов сгорания указанной газовой турбины (1) к указанному термодинамическому органическому циклу Ренкина, причем система (9а, 9, 11) теплопередачи содержит замкнутый теплообменный контур (5), при этом теплообменная среда, циркулирующая в указанном теплообменном контуре (5), переносит тепло от указанных отработавших газов сгорания к указанному термодинамическому органическому циклу Ренкина;

приводную турбомашину (21), содержащую компрессор и приводимую в действие указанным многоступенчатым турбодетандером (13), и

механическую трансмиссию (19) для механического соединения многоступенчатого турбодетандера (13) с турбомашиной (21), приводимой в действие указанным турбодетандером (13),

причем механическая трансмиссия (19) содержит зубчатую передачу (20), которая содержит приводной выходной вал (19А), соединенный с валом турбомашины (21), центральное коронное колесо (34) и зубчатое колесо (33С), которое установлено на выходном валу (19А) и диаметр которого меньше диаметра центрального коронного колеса (34).

2. Система по п. 1, в которой зубчатая передача (20) содержит два ведущих входных вала (31А, 31В).

3. Система по п. 2, в которой первый входной вал (31А) из двух ведущих входных валов соединен с первым рабочим колесом первой ступени многоступенчатого турбодетандера (13).

4. Система по п. 2, в которой второй входной вал (31В) из двух ведущих входных валов соединен со вторым рабочим колесом второй ступени многоступенчатого турбодетандера (13).

5. Система по п. 3, в которой первая ступень представляет собой ступень высокого давления многоступенчатого турбодетандера (13).

6. Система по п. 4, в которой вторая ступень представляет собой ступень низкого давления многоступенчатого турбодетандера (13).

7. Система по любому из пп. 2-6, в которой указанный приводной выходной вал (19А) соединен с валом указанной второй турбомашины (21), приводимой в действие многоступенчатым турбодетандером (13).

8. Способ выработки механической энергии и приведения в действие турбомашины (21), включающий:

использование газовой турбины (1);

выработку механической энергии с помощью указанной газовой турбины (1) и приведение в действие с помощью этой энергии турбомашины (2), содержащей компрессор или компрессорный блок;

передачу тепла от отработавших газов сгорания указанной газовой турбины (1) к органическому циклу Ренкина, причем система (9а, 9, 11) теплопередачи содержит замкнутый теплообменный контур (5), при этом теплообменная среда, циркулирующая в указанном теплообменном контуре (5), переносит тепло от указанных отработавших газов сгорания к указанному термодинамическому органическому циклу Ренкина;

выработку механической энергии с использованием указанного органического цикла Ренкина посредством многоступенчатого турбодетандера (13) и механического соединения, содержащего механическую трансмиссию (19), которая соединяет многоступенчатый турбодетандер (13) с турбомашиной (21), и приведение в действие посредством турбодетандера (13) указанной турбомашины (21), содержащей компрессор,

причем механическая трансмиссия (19) содержит зубчатую передачу (20), которая содержит приводной выходной вал (19А), соединенный с валом турбомашины (21), центральное коронное колесо (34) и зубчатое колесо (33С), которое установлено на выходном валу (19А) и диаметр которого меньше диаметра центрального коронного колеса (34).